Conception d’alliages concentrés complexes (CCA)
F. 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
La conception computationnelle de CCA se déroule notamment dans les phases amont de projets de développement d’alliages sans cobalt pour l’industrie nucléaire, comme dans la thèse de Dinesh Ram (2020-2023) au sein du projet ANR Heria (matériaux de structure) en collaboration avec les Mines de Saint-Étienne, Framatome, EDF et Aperam, ou dans la thèse Cifre de Lisa Rateau (2019-2022) en collaboration avec Framatome (revêtements métalliques résistants à l’abrasion).
Des exemples concernent la conception d’alliages renforcés par précipitation d’intermétalliques γ’, que l’on pourrait également appeler des « superalliages à haute entropie », dans lesquels on souhaite maximiser simultanément la fraction volumique en phase durcissante (Vf), le renforcement par solution solide à chaud grâce aux éléments lourds comme Mo, Nb ou W, et la teneur en chrome pour assurer une bonne tenue à la corrosion / oxydation. L’exemple ci-dessous donne le résultat de l’optimisation multi-objectifs de tels alliages au sein du système Al-Co-Cr-Fe-Mn-Mo-Nb-Ni-Ti-V-W. L’ensemble Pareto-optimal fait apparaître le nécessaire compromis à trouver entre résistance mécanique à chaud (pour laquelle on souhaite maximiser Vf et la somme Mo+Nb+W, autrement dit aller vers la droite dans le graphique) et la résistance à la corrosion / oxydation (pour laquelle on souhaite maximiser la teneur en Cr, autrement dit aller vers le haut dans le graphique).
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Un autre exemple est la conception d’alliages qui, monophasés à l’issue de leur fabrication (donc « HEA »), présentent une déformation martensitique sous déformation (effet TRIP), permettant des gains significatifs en capacité d’écrouissage, résistance et ductilité. Cet aspect a notamment été abordé lors de la thèse de Madeleine Bignon (2020, financement DGA, collaboration avec Lancaster University). L’analyse par le calcul de HEA réels montre que le comportement TRIP peut être obtenu dans une certaine gamme de force motrice de transformation, ΔG.
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Ce concept a ensuite été exploité pour concevoir des « HEA TRIP » par optimisation multi-objectifs, présentant également un fort renforcement par solution solide.
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Collaborations académiques
. Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (LS2N) – Université de Nantes
. Laboratoire Georges Friedel (LGF) – Mines Saint-Étienne
Collaborations industrielles
. Framatome, EDF, Aperam