Conducteurs nanocomposites métalliques élaborés par déformation plastique sévère : formation et stabilité thermo-mécanique des nanostructures, propriétés induites

par Jean-Baptiste Dubois

Thèse de doctorat en Milieux denses, matériaux et composants

Sous la direction de Ludovic Thilly, Pierre-Olivier Renault et de Florence Lecouturier.

Soutenue en 2010

à Poitiers .

mots clés

• Matériaux nanostructurés
• Texture (cristallographie)
• Relaxation des contraintes
• Rayons X -- Diffraction
• Microscopie électronique en transmission

Résumé

Ces travaux de thèse concernent l'étude de matériaux nanocomposites métalliques à base de cuivre/niobium (Cu/Nb), combinant conductivité électrique et limite d'élasticité élevées et développés pour la fabrication de bobines résistives de champs magnétiques pulsés intenses. Les conducteurs nanocomposites Cu/Nb continus sont élaborés par une méthode de déformation plastique sévère (DPS), basée sur des cycles d'extrusions, d'étirages et d'empilements successifs, conduisant à la formation d'un matériau nanostructuré multi-échelle. Afin d'optimiser le procédé de fabrication, l'effet des traitements thermiques sur les textures ainsi que leur formation au cours de l'élaboration ont été étudiés par diffraction des rayons X en laboratoire. Des expériences complémentaires de traitements thermiques in-situ sous rayonnement synchrotron ont permis une meilleure compréhension des mécanismes élémentaires de restauration de la microstructure et la définition d'un traitement thermique optimisé. La stabilité thermique des conducteurs apparaît aussi fortement dépendante des dimensions microstructurales : une frustration des phénomènes de restauration, de recristallisation et de croissance des grains est observée pour les conducteurs nanostructurés. Ces résultats ont permis de fabriquer des conducteurs « co-axiaux » optimisés, renforcés par des nanofilaments et des nanotubes de niobium. Leurs propriétés microstructurales et physiques ont été caractérisées et comparées aux anciennes générations de conducteurs nanocomposites Cu/Nb. Les propriétés obtenues et la possibilité d'élaborer de grandes longueurs de fils rendent ces matériaux compétitifs pour les futures applications en champs pulsés.

Titre traduit

Metallic nanocomposite conductors fabricated by severe plastic deformation: formation and thermo-mechanical stability of nanostructures, induced properties

Résumé

This thesis concerns the study of metallic nanocomposite copper/niobium (Cu/Nb) wires, combining high electrical conductivity and high strength, as required for the design of high magnetic field resistive coils. The reinforced continuous nanocomposite Cu/Nb conductors are fabricated via a severe plastic deformation process (SPD), which consists in repeated extrusion, drawing and bundling cycles (Accumulative Drawing and Bundling : ADB) and leads to the nanostructuration of the Nb reinforcements and a multi-scale Cu matrix. In order to optimize the process, the effect of heat treatments on texture and its development during the process were analysed by means of laboratory X-ray diffraction. Complementary in-situ heat treatments under synchrotron radiation gave a better insight into the elementary annealing mechanisms and enabled defining optimized heat treatments. These experiments also revealed that the thermal stability of Cu/Nb conductors is extremely dependent of the microstructure size: recovery, recrystallization, grain growth and all relaxation processes are frustrated in the case of nanocomposites. From these results, optimized “co-axial” conductors reinforced by Nb nanofilaments and nanotubes were processed. Their microstructure and physical properties have been characterized and compared to those of previous Cu/Nb nanocomposite conductors. With the possibility to produce long wires with improved properties, these new Cu/Nb nanocomposites offer a great alternative to existing conductors for future high magnetic field applications.