Etude et sélection d’alliages à composition complexe sans cobalt à finalité tribologique

Study and selection of cobalt free complex composition alloys for tribological application

• Auteur / Autrice : Gautier Huser
• Direction : Pascal Aubry, Ivan Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 02/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Ingéniérie des Surfaces et Lasers (Saclay) - Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Eric Hug
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Poquillon, Anna Fraczkiewicz, Anne-Laure Helbert, Emmanuel Rigal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Poquillon, Anna Fraczkiewicz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion (métallurgie)

Lasers en métallurgie

Métallurgie des poudres

Mots clés libres

Alliage à composition complexe

Revêtement

Fabrication additive

CALPHAD

Alliage à haute entropie

Complex composition alloy

Coating

Additive manufacturing

CALPHAD

High entropy alloy

Résumé

Il est nécessaire de développer des revêtements sans cobalt possédant une bonne résistance à l’usure afin de remplacer les alliages de type stellite® qui sont utilisés dans les centrales nucléaires. En effet, les débris de cet alliage sont activés sous flux neutronique et forme du 60Co, un isotope radioactif susceptible de contaminer le reste de l’installation. Les matériaux sans cobalt, base nickel ou base fer, proposés pour le moment ne présentent pas des propriétés tribologiques concurrentes à celles du stellite®. Les AHE (Alliage à Haute Entropie) et ACC (Alliage à Composition Complexe) peuvent être de bons candidats. En effet, ces alliages possèdent des domaines de compositions particulièrement étendus par rapport aux alliages conventionnels, qui donnent alors accès à un vaste espace de propriétés, en particulier mécaniques. Dans un premier temps, l’étude de plusieurs ACC par la méthode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram) a été réalisée afin de déterminer des compositions favorisant la présence de phases intermétalliques dures bénéfiques au comportement tribologiques. Le travail s’est poursuivi par la réalisation de plusieurs séries d’alliages. Des caractérisations microstructurales et tribologiques ont permis de retenir une unique composition comme meilleure candidate potentielle au remplacement des alliages base cobalt. Cette composition a alors été élaborée sous forme de poudre puis de revêtement en utilisant les procédés de DLD (Direct Laser Deposition) et compression isostatique à chaud. Leur microstructure et leur comportement tribologique a été comparé à celui du stellite®.

Currently, attempts are made to develop hardfacing cobalt-free alloys for coating the contact areas of moving parts of nuclear installations. In fact, under neutron flux, cobalt 59 is activated into cobalt 60, a highly radioactive isotope. Consequently, the coating debris generated by friction are likely to contaminate parts of the installation. Existing cobalt-free hardfacing alloys, nickel or iron bases, do not exhibit tribological properties competing with those of stellite®, a commonly used hardfacing cobalt base alloy. HEA (High Entropy Alloy) and CCA (Complex Concentration Alloy) may be good candidates. Indeed, compare to conventional alloys, they show vast composition domain giving access to a large range of properties. After an initial selection of elements, the phases of selected alloys were calculated by CALPHAD software (CALculation of PHAse Diagram). The compositions favoring the presence of hard intermetallic phases beneficial to tribological behavior were selected. Then several alloys were fabricated using different processes. From microstructural and tribological characterizations, one composition has been selected as the best potential cobalt-free hardfacing alloy candidate. Coatings of this composition were then fabricated by DLD (Direct Laser Deposition) and HIP (Hot Isostatic Pressing). Their microstructure and tribological behavior were measured and compared to those of stellite ®.