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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

 

 

En utilisant une combinaison d’outils computationnels (critères physico-chimiques, thermodynamique prédictive Calphad / Thermo-Calc, modèle physique de durcissement par solution solide, optimisation multi-objectifs par algorithme génétique), nous avons conçu par le calcul des milliers de HEA à structure cubique à faces centrées (CFC) et cubique centrée (CC).

HEA 1

 

Certains alliages ont été fabriqués et caractérisés. L’un d’eux (Al35Cr35Mn8Mo5Ti17, at.%), monophasé de structure CC, présente le durcissement par solution solide de substitution le plus élevé jamais reporté, avec une dureté Vickers de 6,45 GPa (658 HV), associé à une masse volumique inférieure à 5,5 g/cm3.

HEA 2

 

Références :

F. Tancret, I. Toda-Caraballo, E. Menou, P.E.J. Rivera Díaz-del-Castillo, “Designing high entropy alloys employing thermodynamics and Gaussian process statistical analysis”, Materials & Design, 115 (2017) 486-497

E. Menou, I. Toda-Caraballo, P.E.J. Rivera Díaz-del-Castillo, C. Pineau, E. Bertrand, G. Ramstein, F. Tancret, “Evolutionary design of strong and stable high entropy alloys using multi-objective optimisation based on physical models, statistics and thermodynamics”, Materials & Design, 143 (2018) 185-195

S. Gorsse, F. Tancret, “Current and emerging practices of CALPHAD toward the development of high entropy alloys and complex concentrated alloys”, Journal of Materials Research, 33(19) (2018) 2899-2923

E. Menou, F. Tancret, I. Toda-Caraballo, G. Ramstein, P. Castany, E. Bertrand, N. Gautier, P.E.J. Rivera Díaz-del-Castillo, “Computational design of light and strong High Entropy Alloys (HEA): Obtainment of an extremely high specific solid solution hardening”, Scripta Materialia, 156 (2018) 120-123

M. Traversier, P. Mestre-Rinn, N. Peillon, E. Rigal, X. Boulnat, F. Tancret, J. Dhers, A. Fraczkiewicz, “Nitrogen-induced hardening in an austenitic CrFeMnNi high-entropy alloy (HEA)”, Materials Science & Engineering A, 804 (2021) 140725

 

Collaborations

. Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (LS2N) – Université de Nantes
. Laboratoire Georges Friedel (LGF) – Mines Saint-Étienne

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