Tungstène et alliages nanostructurès dans le système W-V-Cr pour la fusion : synthèse, densification et propriétés mécaniques

Tungsten and nanostructured alloys in theW-V-Cr system for fusion applications : synthesis, densification andmechanical properties

• Auteur / Autrice : Sarah Dine
• Direction : Dominique Vrel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés spécialité Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/06/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université Sorbonne Paris Nord (Bobigny, Villetaneuse, Seine-Saint-Denis ; 1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Christian Grisolia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Couzinie, Guy Dirras, Marianne Richou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Kermouche, Frédéric Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Microstructure (physique)

Spark plasma sintering (métallurgie)

Procédé SHS

Tungstène -- Alliages

Mots clés libres

Tokamak

Résumé

L’objectif de cette thèse concerne la synthèse de tungstène et d’alliages de tungstène nanostructurés, en lien avec la problématique de la fusion thermonucléaire, avec une double perspective, celle des poudres proprement dites, dans le but de simuler les poussières qui seront produites lors du fonctionnement du tokamak, et celle des massifs, la nanostructuration pouvant apporter un gain significatif dans les propriétés mécaniques (limite élastique, ductilité), ainsi que dans les propriétés d’usage particulières à cet environnement (résistance à la pulvérisation, au cloquage, à la corrosion, ...).Pour ce faire, nous avons synthétisé du tungstène et des alliages binaires et ternaires dans le systèmeW-V-Cr en utilisant le procédé de synthèse par combustion (Self-propagating High-temperatureSynthesis). Par la suite, les poudres obtenues ont été frittées par Spark Plasma Sintering, afin d’obtenir des massifs denses. A chaque étape du procédé, les matériaux ont été caractérisés par Diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage, analyse dispersive en énergie, microdureté, et essais de compression. Nos résultats montrent que nous avons pu obtenir des échantillons nanostructurés, avec une densité relative de 97 à 100% selon les alliages, et présentant une limite élastique pouvant atteindre 1000 MPa et une ductilité de l’ordre de 30%, ce qui est un résultat très prometteur pour un alliage de tungstène sans rhénium.

The aim of this thesis concerns the synthesis of nanostructured tungsten and tungsten alloys, related to the thermonuclear fusion issue, with a double perspective, one concerning the powders themselves,in order to simulate the dust that will be produced during the tokamak operation, the other concerning bulk materials, where the nanostructure could bring a significant improvement on mechanical properties (elastic limit, ductility), and also on specific properties related to this operating environment (resistance to sputtering, blistering, corrosion, ...).To do so, we synthesized tungsten and binary and ternary alloys in the W-V-Cr system using Selfpropagating High-temperature Synthesis. These powders were then sintered using Spark Plasma Sintering, in order to retrieve bulk dense samples. At each step of the process, the materials were characterized using X-Ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive Spectroscopy, microhardness and compression tests. Our results show that we were able to obtain bulk nanostructured samples, with a relative density ranging from 97 to 100% depending on the alloy, with an elastic limit of up to 1000 MPa and a ductility of about 30%, which is a very promising results for a tungsten alloy with no rhenium.