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Conception computationnelle d’alliages

Conception computationnelle d’alliages

Alloy Design 200pxF. Tancret, I. Braems, E. Bertrand, L. Couturier

Notre équipe, pionnière en France dans le domaine, développe des méthodes de conception d’alliages par ordinateur, associant des modèles physiques (dont la thermodynamique prédictive par méthode Calphad et la simulation ab initio) avec des outils issus de l’intelligence artificielle comme la fouille de données (« machine learning ») et l’optimisation multi-objectifs par algorithme génétique. Ces travaux, menés en collaboration académique ou industrielle, concernent de nombreuses catégories de matériaux (alliages à base de Fe, Ni, Ti, Al, Mg ; alliages à haute entropie « HEA » ; alliages concentrés complexes « CCA »), pour des applications diverses (oil & gas / pétrochimie ; énergie / nucléaire ; aéronautique, automobile ; micromécanique…).

Mots-clés : Conception d’alliages, réseaux de neurones, DFT, Thermo-Calc, aciers, inox

Conception de superalliages polycristallins

Superalloy 200pxF.Tancret, E. Bertrand

C’est notre activité la plus ancienne (démarrée en 1998), qui a été le cadre du développement d’une grande partie de nos compétences en conception computationnelle d’alliages (fouille de données / machine learning, modèles physiques dont thermodynamique prédictive, optimisation multi-objectifs par algorithme génétique...), et qui a conduit à de nombreux articles pionniers en la matière et à la méthode la plus intégrée à ce jour. Des exemples de réalisations sont présentées ci-dessous.

 Mots-clés : Réseaux de neurones, Processus gaussiens, Calphad, Thermo-Calc, soudable

 

Conception de superalliages monocristallins

Monocristallin intro 200pxF. Tancret

Postdoc d’Edern Menou (2017-2018). Collaboration industrielle avec Safran, sur la conception de nouveaux superalliages monocristallins pour aubes de turbines. Amélioration de la résistance au fluage spécifique et de la tenue à l’oxydation à chaud.

Mots-clés : Moteurs d’avions, alliages de nickel

Dépôt de deux brevets :

J. Rame, E. Menou, C. Desgranges, F. Tancret – Superalliage à base de nickel à faible densité et avec une tenue mécanique et environnementale élevée à haute température – FR3091708 / WO2020148503

J. Rame, E. Menou, C. Desgranges, F. Tancret – Superalliage à base de nickel à tenue mécanique élevée à haute température – FR3091709 / WO2020148504

 

Conception d’alliages de nickel résistants à la fragilisation par l’hydrogène

hydrogene 200pxF. Tancret, I. Braems, L. Couturier, E. Bertrand

Ces recherches, initiées en collaboration avec l’Université de Cambridge, sont menées dans le cadre du projet ANR Cadohrs (Computer-Aided Design of Hydrogen-Resistant Superalloys), notamment à travers la thèse d’Aman Prasad (2020-2023) et le postdoc de Ranim Mohamad (2020-2021). Elles visent à concevoir des alliages de nickel résistants à la fragilisation par l’hydrogène, via une compréhension, par l’étude d’alliages modèles et la simulation ab initio, de l’influence de la composition sur la fragilisation de la matrice et sur le piégeage de l’hydrogène par les précipités.

Mots-clés : Superalliages, corrosion, résistance mécanique, nucléaire, pétrochimie

Conception d’alliages à haute entropie (HEA)

F.Tancret, E. BertrandHEA intro 200px

Les alliages à haute entropie (High Entropy Alloys, HEA) constituent une nouvelle classe de matériaux métalliques, étudiée depuis 2004. Ils consistent en des mélanges d’au moins cinq éléments, tous dans des teneurs comprises entre 5 et 35 at.%, formant une solution solide unique. Alors que la plupart des HEA avaient été découverts fortuitement, par essais-erreurs ou de manière assez empirique, nous avons entrepris, en collaboration avec l’Université de Cambridge et lors de la thèse d’Edern Menou (2016), de concevoir des HEA par optimisation combinatoire en s’appuyant sur la modélisation et la fouille de données. Après vérification expérimentale, nous avons obtenu des alliages dont les propriétés surpassent celles des HEA de même structure et microstructure, et parfois même celles des autres catégories d’alliages. Entre autres, nous avons obtenu le renforcement par solution solide de substitution le plus élevé jamais reporté.

Mots-clés : Alliages à forte entropie, alliages multi-éléments, alliages concentrés complexes, alliages à composition complexe

Conception d’alliages concentrés complexes (CCA)

CCA intro 200pxF. Tancret, E. Bertrand, L. Couturier

La definition des “alliages concentrés complexes” (Complex Concentrated Alloys, ou Compositionally Complex Alloys, CCA) n’est pas très précise. On pourrait les définir comme des alliages « sans base », « multi-concentrés », un peu comme les HEA mais qui, à la différence de ces derniers, développent des microstructures polyphasées, que ce soit à l’état brut de solidification, à la suite d’un traitement thermique de précipitation ou lors d’une déformation (effet « TRIP »). Il s’agirait ainsi d’une extension du concept de HEA vers des métallurgies plus classiques comme celles des aciers ou des superalliages. Comme pour les HEA, des combinaisons de propriétés originales sont recherchées, potentiellement exploitables pour certains applications. On présente ici divers projets sur lesquels nous travaillons à la conception computationnelle de CCA.

 Mots-clés : Alliages à forte entropie, alliages multi-éléments, superalliages à haute entropie

 

Eco-géo-conception d’alliages

Eco intro 200pixF. Tancret

Nous développons une méthode pour concevoir des alliages métalliques dont la composition permet de minimiser leur impact environnemental (consommation en eau, empreinte carbone, énergie grise, pollution des sols…) et leur criticité d’approvisionnement (disponibilité géologique et géopolitique, volatilité des prix sur les marchés), de maximiser leur aptitude au recyclage et la possibilité de les fabriquer à partir d’alliages recyclés, tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques.

 Mots-clés : éco-conception, géo-conception, éco-matériaux

 

Conception d’alliages pour la fabrication additive

FabAdd conceptionFranck Tancret

Alors que les alliages classiques sont souvent associés à certains procédés (moulage, forgeage, métallurgie des poudres…), les débuts de la fabrication additive ont surtout vu son application à des nuances existantes, mal adaptées à ces nouveaux procédés. Nos travaux portent sur la conception d’alliages (aciers inoxydables, alliages de nickel ou de titane, alliages à forte entropie…) spécifiquement adaptées à la fabrication additive, que ce soit pour réduire les défauts et améliorer la qualité (fissuration, porosité, état de surface…), pour optimiser les propriétés mécaniques, ou pour déposer des multi-matériaux en couches aux caractéristiques originales (résistance à la propagation de fissures notamment).

 Mots-clés : SLM, DMD, FabAdd, matériaux multicouches

 

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