Alliages réfractaires à forte entropie : comportement mécanique sous sollicitations complexes, mise en place d’une nouvelle voie d’élaboration

par Vasuki Kentheswaran

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Guy Dirras, Jean-Philippe Couzinie et de Dominique Vrel.

Soutenue le 30-01-2019

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (laboratoire) et de Université Paris 13 (Etablissement de préparation) .

Le président du jury était Yannick Champion.

Le jury était composé de Hervé Couque, Frédéric Prima.

Les rapporteurs étaient Henry Proudhon, Jean-Philippe Monchoux.


  • Résumé

    Des sabres japonais aux moteurs d’avions modernes, les éléments d’addition ont été utilisés pour améliorer les propriétés mécaniques des alliages. L’ajout d’éléments d’addition à un élément principal permet d’obtenir une microstructure particulière souhaitée ou d’associer des propriétés mécaniques. Les alliages à haute entropie de mélange (AHEs) (ou de configuration), c’est-à-dire des alliages métalliques multi-constituants revisitent la métallurgie traditionnelle en contenant plusieurs éléments principaux en proportion équiatomique ou quasi-équiatomique et formant une solution solide désordonnée unique, stabilisée par son entropie de configuration augmentant avec le nombre de constituants, d’où le nom attribué à ces alliages. Ils ouvrent la voie à de nouvelles stratégies de design d’alliages et donc à un nouveau type de matériaux métalliques. Leurs propriétés remarquables ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique et plus particulièrement la capacité à combiner des propriétés antagonistes comme la résistance mécanique et la ductilité.Les alliages réfractaires à haute entropie de mélange sont des matériaux très prometteurs pour des applications à hautes températures et nécessitent d’être élaborés et caractérisés en amont sous des sollicitations diverses avant de les envisager pour de potentielles applications. En sollicitation dynamique, les AHEs réfractaires étudiés ont soit un comportement d’adoucissement thermique soit d’écrouissage important. Le rapport d’endurance limite en fatigue à la résistance mécanique a une valeur élevée de 0,43 en flexion quatre points. Enfin, l’élaboration de ces alliages par métallurgie des poudres et plus précisément par combustion auto-propagée (procédé SHS)et par frittage Spark Plasma Sintering (SPS) est exploré.

  • Titre traduit

    Refractory high entropy alloys : mechanical behaviour under complex loadings, implementation of a non-conventional processing route


  • Résumé

    From Japanese sabres to modern aircraft engines alloying elements have been used to enhance mechanical properties. Adding alloying elements to a main constituent enables to achieve a desired microstructure or to combine mechanical properties. High-entropy alloys, namely multicomponent metallic alloys, break with the past traditional approach since they contain several major elements in equiatomic or quasi-equiatomic proportions resulting in a single-phase disordered solid solution stabilised by its configurational entropy increased with the number of constituents, hence the name of such alloys. High-entropy alloys blaze a trail to new alloy design strategies and new type of metallic materials. The enthusiasm of the scientific community has been triggered by the oustanding mechanical properties of these alloys and particularly upon combining antagonist properties such as strength and ductility. Refractory high-entropy alloys are very promising materials for high temperature applications and need to be characterised upon various types of loading before considering them for potential applications. Process and characterisation are considered in the framework of this thesis. Under dynamic loading, the studied refractory high-entropy alloys with BCC structure exhibited either a thermal softening behaviour or a work-hardening behaviour. Fatigue endurance ratio has an oustanding level of 0.43 under four-point bending fatigue loading. The other aspect investigated in this study is the ability to process these alloys by powder metallurgy route and especially by Self-propagating High temperature Synthesis (SHS) and Spark Plasma Sintering (SPS).

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