Alliages à forte entropie resistant à l'irradiation
(Projet-ANR-19-CE08-0012)

Octobre 2019 - Septembre 2024

Partenaire IMN du projet : Franck TANCRET  (équipe ID2M)

Coordinateur :
Centre de Science des matériaux et des structures (SMS MINES Saint-Etienne)
Partenaires :
Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM Orsay)
Groupe de Physique des Matériaux (GPM Saint Etienne du Rouvray)
DMN CEA Saclay
Framatome (Fuel)
APERAM Stainless France
EDF Les Renardières Ecuelles

Personnels IMN impliqués :
Emmanuel BERTRAND (MC UNIV), Laurent COUTURIER (MC UNIV),
Dinesh RAM (Doctorant)

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Les alliages à haute entropie (HE, high entropy alloys) et les CCAs (complex concentrated alloys), sont de nouvelles classes de matériaux métalliques dans lesquelles des propriétés exceptionnelles sont attendues grâce à une structure cristalline contenant plusieurs éléments chimiques en proportions élevées. Ces alliages pourront probablement être utilisés, à l’avenir, dans des domaines industriels exigeants, tels que l’industrie nucléaire. Le but du projet HERIA est d’évaluer l’intérêt des HEA/CCA pour ce domaine. Le projet bénéficiera de l’expertise existant auprès de ses membres : (i) conception et développement récents des HEA de la famille CrFeMnNi; (ii) méthodologie de conception numérique des alliages HEA/CCA : elle servira à élargir la gamme d’applications possibles grâce à la conception et à l’optimisation de nouveaux CCAs. L’ensemble des alliages couvrira un large éventail d’intérêts applicatifs (définis par les partenaires industriels), comme substituts possibles de l’acier 316SS, mais aussi des alliages à durcissement structural, comme l’A286 ou l’alliage 718.

Les critères de succès du projet viendront d’une évaluation approfondie des alliages sélectionnés, du point de vue de leurs propriétés mécaniques (limite d’élasticité, résistance à la rupture, allongement à la rupture, formabilité) en parallèle avec leur comportement à l’irradiation. La résistance à la corrosion sous contrainte est un des critères de choix des matériaux, pour les applications visées : les alliages à développer devront également être optimisés du point de vue de cette caractéristique. L’hypothèse principale de l’étude est basée sur des données bibliographiques suggérant une amélioration de la résistance à l’irradiation dans des matrices complexes HEA. Les objectifs techniques du projet concernent le développement de nouveaux HEAs/CCAs. Les objectifs scientifiques se concentrent sur : (i) l’analyse approfondie et la compréhension des mécanismes d’irradiation et du comportement des matrices HEA, au niveau atomique et microscopique, en vue de confirmation de leur résistance à l’irradiation améliorée; (ii) l’application et l’amélioration des méthodes existantes de conception d’alliages au cas des CCAs.

Le consortium HERIA est composé de cinq laboratoires universitaires et d’une entité de R&D industrielle. Les deux autres partenaires industriels sont responsables (i) de l’élaboration et de la pré-industrialisation des HEAs (Aperam) ; (ii) des spécifications des alliages à développer (Framatome) ; (iii) des essais de corrosion sous contrainte (Framatome). Dans ce projet, structuré en cinq work packages interagissant, le consortium applique des approches expérimentales et numériques. Il couvre l’ensemble de la chaîne du développement et à l’évaluation d’alliages nouveaux : (i) élaboration, tant en laboratoire industriel (Aperam) que par une méthode unique de fusion de laboratoire en creuset froid, appliquée aux alliages de haute pureté (Armines, MINES St-Etienne); (ii) conception numérique de nuances originales et optimisées (IMN) sur la base de modélisation thermodynamique et physique, avec l’utilisation des algorithmes génétiques développés en interne; (iii) accès aux plateformes d’irradiation aux ions (JANNuS), associé à une expérience significative des analyses quantitatives des défauts cristallins (notamment dus à l’irradiation) par le MET (DNM-CEA et CSNSM) ; (iv) une expertise de haut niveau en analyse chimique à l’échelle atomique par TAP, nécessaire pour la compréhension des phénomènes de ségrégation et de pré-précipitation (GPM) ; (v) une expertise significative et reconnue de modélisation à l’échelle atomique (ou proche de celle-ci) des alliages métalliques (DNM-CEA et EDF R&D MMC), en particulier ceux considérés comme des « matériaux de référence » dans le projet. Le projet sera réalisé avec une forte implication de Framatome, l’unique concepteur européen et producteur de réacteurs et d’assemblages de combustible nucléaire.