Propriétés d’absorption de l’hydrogène sur un titane commercial pur Ti50A ayant subi du laminage à froid

Hydrogen absorption properties of a commercial pure titanium Ti50A processed by cold rolling

• Auteur / Autrice : Sabrine Boulila
• Direction : Nathalie Bonasso, Jacques Huot, Thierry Grosdidier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 30/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université du Québec à Trois-Rivières
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Omar El-Kedim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Bonasso, Jacques Huot, Thierry Grosdidier, Jean-Louis Bobet, Patricia de Rango, Jacques Goyette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Bobet, Patricia de Rango

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrures

Titane

Laminage

Déformations (mécanique)

Absorption et adsorption

Hydrogène

Mots clés libres

Hydrogène

Absorption

Déformation mécanique

Laminage à froid

Titane

Hydrure de titane

Hydrogen

Absorption

Mechanical deformation

Cold rolling

Titanium

Titanium hydride

Résumé

L’utilisation constante des hydrocarbures, les émissions de dioxyde de carbone et le réchauffement climatique font l’objet d’un débat mondial sur l’énergie. L’établissement d’une économie basée sur l’hydrogène se présente comme une solution alternative efficace. Différents problèmes technologiques sont à résoudre pour parvenir à un tel système énergétique mondial tel que la production de l’hydrogène, sa livraison et son stockage. Diverses méthodes de stockage de l’hydrogène sont disponibles. Parmi celles-ci, le stockage sous forme d’hydrures métalliques représente un moyen prometteur et pratique. Dans ce contexte, les techniques de déformation mécanique appliquées aux matériaux de stockage de l’hydrogène ont connu une utilisation accrue ces dernières années. Elles permettent l’amélioration des performances de stockage de l’hydrogène de divers types d’hydrures métalliques. Le présent travail se concentre sur l’effet de la déformation mécanique induite par la technique du laminage à froid sur les propriétés d’absorption de l’hydrogène du titane de pureté commerciale Ti50A. Pour ce faire, deux principaux paramètres de traitement ont été variés et étudiés lors du laminage à froid à savoir le taux de réduction et la vitesse de laminage. Dans un premier temps, une analyse et une compréhension des microstructures de déformation induites par la technique du laminage à froid sur le titane pur avant hydrogénation a été réalisée pour les différentes conditions de traitement mécanique. Ensuite, l’étude de l’effet du laminage à froid sur la première absorption de l’hydrogène du titane a été effectuée. Les échantillons hydrogénés ont été également examinés et l’hydrure de titane formé après hydrogénation complète a été caractérisé. Les résultats obtenus ont montré une amélioration significative de la cinétique de la première absorption de l’hydrogène pour les échantillons laminés à froid comparés à l’échantillon de titane pur non traité. L’étude paramétrique effectuée sur le titane Ti50A a montré que les paramètres de traitement par laminage à froid affectent grandement la cinétique de la première hydrogénation tout en conservant la capacité maximale d’absorption de l’hydrogène. L’augmentation du taux de réduction lors du laminage à froid permet l’amélioration de la cinétique d’hydrogénation, associée à une activation de la déformation par maclage pour les faibles taux de réductions et une diminution de la taille des grains de titane après laminage. De plus, il a été montré qu’une faible vitesse de laminage assure une meilleure cinétique d’absorption d’hydrogène, tout en présentant des microstructures caractérisées par une fraction importante des joints de faibles désorientations. Finalement, le mécanisme d’absorption de l’hydrogène par le titane Ti50A a été étudié à travers la détermination de l’étape limitante de la vitesse de la réaction d’absorption. Il s’est avéré que tous les échantillons laminés dans les différentes conditions suivent le mécanisme d’absorption régi par le modèle du volume contractant. Un échantillon de titane laminé a été sélectionné pour l’étude détaillée de la transformation de phase du titane vers l’hydrure de titane suite à l’absorption complète de l’hydrogène par le Ti50A. Cette étude a été effectuée en analysant et examinant des échantillons partiellement hydrogénés.

The constant use of hydrocarbons, carbon dioxide emissions and global warming are the subject of a global energy debate. Establishing a hydrogen economy is considered as an effective alternative solution. Various technological problems have to be solved to achieve such a global energy system such as hydrogen production, delivery and storage. Various methods of storing hydrogen are available. Among these, storage in the form of metal hydrides represents a promising and practical means. In this context, mechanical deformation techniques applied to hydrogen storage materials have seen increased use these recent years. These techniques enable the improvement of the hydrogen storage performance of various types of metal hydrides. The present work focuses on the effect of mechanical deformation induced by the cold rolling technique on the hydrogen absorption properties of the commercial pure titanium Ti50A. To do this, two main processing parameters were varied and studied during cold rolling, namely the reduction rate and the rolling speed. First, an analysis and an understanding of the deformation microstructures induced by the cold rolling technique on pure titanium before hydrogenation was carried out for the different mechanical processing conditions. Then, the study of the effect of cold rolling on the first hydrogen absorption of titanium was carried out. The hydrogenated samples were also examined and the titanium hydride formed after complete hydrogenation was characterized. The obtained results showed a significant improvement in the kinetics of the first hydrogen absorption for the cold-rolled samples compared to the unrolled pure titanium sample. The parametric study performed on titanium Ti50A showed that the cold rolling processing parameters greatly affect the kinetics of the first hydrogenation while maintaining the maximum hydrogen absorption capacity. The increase in the reduction rate during cold rolling allows the improvement of the hydrogenation kinetics, associated with an activation of the twinning deformation for low reduction rates and a decrease in the size of the titanium grains after rolling. On the other hand, it has been shown that a low rolling speed ensures better kinetics of hydrogen absorption, while exhibiting microstructures characterized by a large fraction of low angle boundaries. Finally, the mechanism of hydrogen absorption by titanium was investigated through the determination of the rate limiting-step of the absorption reaction. It was revealed that all rolled samples under the different conditions follow the absorption mechanism governed by the contracting volume model. In addition, a sample of rolled titanium was selected for detailed study of the phase transformation of titanium to titanium hydride following complete uptake of hydrogen by Ti50A. This study was performed by analyzing and examining partially hydrogenated samples.