Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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INCA INfluence de la stœchiométrie locale sur le Comportement mécanique d’Alliages métalliques

 

Porteur : F. Pettinari-Sturmel (PPM), B. Warot-Fonrose (I3EM)

Participants :

M. Hantcherli, J. Douin, J-P. Monchoux, A. Couret, M. Legros (PPM)
M. Brunet, P. Sciau (M3)
C. Marcelot, S. Joulié, N. Ratel (Plate-forme caractérisation)

 

Contexte

Les alliages métalliques pour application structurale présentent une microstructure souvent complexe constituée d’une solution solide comportant des éléments majoritaires (Ni, Ti, Al) et des éléments d’addition pour quelques pourcents. La résistance mécanique de ces alliages trouve son origine dans la solution solide et/ou dans des éléments microstructuraux dus aux solutés (comme par exemple des précipités).

De nombreuses études concernant le durcissement par solution solide dans les alliages base nickel monocristallinsont mis en évidence que le rhénium, tungstène et molybdène sont de bons candidats pour améliorer la résistance mécanique à haute température, l’effet le plus important étant attribué au rhénium. Plus récemment, des études dans les alliages TiAl ont également mis en évidence une amélioration des propriétés mécaniques via l’addition de quelques pourcents de tungstène.

Même si les effets de solution solide, en particulier ceux provoqués par l’addition de quelques pourcents de rhénium ont été largement étudié dans des solutions solides base nickel [Matsuo et al. 1987, Nathal et al. 1989, Shinoda et al. 1987, Clément et al. 1996, Pettinari et al. 2001], le mécanisme de durcissement par solution solide qui reste très complexe, notamment à haute température, demeure encore incompris.

D’un point de vue fondamental, les paramètres physiques pertinents à l’origine des effets bénéfiques du rhénium et/ou du tungstène sur les dislocations mobiles lors de la déformation, restent encore à être identifiés pour préciser leurs effets durcissants à l’échelle nanoscopique.

Dans le cas des alliages d’aluminium, le durcissement structural dû à la précipitation fine au sein d’une solution solide et l’évolution de cette précipitation lors du vieillissement sont complexes. L’origine du durcissement rapide dans les alliages Al-Cu-Mg a par exemple donné lieu à des controverses jusqu’à très récemment [Wang et al. 2007, Marceau et al. 2010, Styles et al. 2012] : il a été démontré que la séquence de précipitation des phases S débute avec la formation d’amas Cu-Mg dans les tous premiers instants du vieillissement. Le rôle de ces amas dans la séquence de précipitation, la structure cristallographique des phases S’ et S’’ qui en sont issues ont pu être mises au jour grâce à des études combinant DSC, sonde atomique et TEM haute résolution associé à la diffraction électronique et aux spectroscopies EDX ou EELS. Mais, la compréhension du vieillissement de ces alliages à long terme reste un sujet d’actualité : l’étude après des recuits longs à basses températures (entre 70 et 100°C) [Deschamps et al. 2017] ou l’étude directe d’alliages vieillis sur des avions en fin de vie [Salimon et al 2010, Cochard et al. 2017] permettent d’aborder la problématique. La modélisation des phénomènes lents impliquant des variations locales fines de la chimie dans et autour des précipités doit être poursuivie.

Pour conclure, même si certains de ces effets liés à la chimie locale ont déjà été étudiés et sont connus, ils restent encore partiellement incompris et méritent d’être analysés.

 

Objectifs

Cette opération transverse concerne l’analyse de l’influence de la chimie locale sur les mécanismes physiques qui contrôlent le comportement mécanique à haute température dans différentes familles d’alliages métalliques : superalliages base Nickel, alliages d’aluminium, aluminiures de Titane (TiAl).

Il s’agit, en s’appuyant sur des techniques quantitatives avancées de MET dont dispose le CEMES et l’UMS Castaing (MET corrigés sonde pour les analyses chimiques par spectroscopies, MET in situ pour les mécanismes de déformation, MET avec correcteur d’aberration sphérique pour les analyses structurales), complétées le cas échéant par des expériences de diffraction de RX ou de neutrons, d’identifier et de quantifier les paramètres physiques pertinents qui sont influencés par la « chimie locale » et qui contrôlent les mécanismes élémentaires de déformation. Les effets des solutés seront étudiés, ceux-ci pouvant être directs (i.e effets de solution solide rencontrés dans les superalliages monocristallins et dans TiAl) ou indirects (i.e modification des énergies de défaut d’ordre et d’empilement qui contrôlent les mobilités des dislocations en lien avec la chimie de la matrice et/ou des précipités, rencontrés dans les superalliages polycristallins et les alliages d’aluminium).

L’objectif final de ce type d’étude est de participer au développement d’un modèle mécanique intégrant les variables internes de microstructure en lien avec la chimie locale qui sont pertinentes pour les propriétés mécaniques. Ce volet chimie-microstructure-propriétés constitue un aspect novateur dans ce domaine.

Ce projet scientifique demeure une préoccupation fondamentale, en science des matériaux et en physique des propriétés mécaniques, qui intrigue la communauté scientifique sans toutefois avoir trouvé de réponse pertinente. Il s’articule autour de différentes thématiques scientifiques (mécanismes élémentaires de plasticité, stœchiométrie locale, interactions dislocation/éléments microstructuraux) et concerne différentes familles d’alliages.

Cette opération transverse mobilise ainsi une large communauté de chercheurs du CEMES issus de différents groupes de recherche.

 

Echéancier (2017-2018)

Ci-dessous une liste des objectifs à 2-3 ans (correspondant à des projets soumis et/ou thèse en cours) :

  • Caractérisation par spectroscopie EELS/EDX des compositions chimiques locales et mise en place de nouveaux protocoles/méthodologies d’analyse et analyses éventuelles par diffraction RX ou neutrons.
  • Identification des mécanismes de déformation en fonction de la teneur en soluté/état de précipitation
  • Etude des interactions dislocations-soluté/précipité.

 

Moyens nécessaires

  • Equipements de microscopie du CEMES et de l’UMS Castaing : MET corrigés sonde pour la spectroscopie (EELS, EDX), MET in situ pour les mécanismes de déformation, MET avec correcteur d’aberration sphérique pour les analyses structurales.
  • Service préparation du CEMES.
  • Le cas échéant : grands instruments pour diffraction synchrotron ou diffusion de neutrons, sonde atomique.

 

Soutiens contractuels

  • Projet IDEX COCAGNE (2016-2017)
  • Projet NEXT StelAir (2016-2018)