Etude d’alliages haute entropie du système Cr-Fe-Mn-Ni et développement d’alliages concentrés complexes par ajout de W-C pour applications tribologiques du secteur nucléaire

Study of high entropy alloys of the Cr-Fe-Mn-Ni system and development of complex concentrated alloys by adding W-C for tribological applications in the nuclear sector

• Auteur / Autrice : Tanguy Manescau
• Direction : Olivier Dezellus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 12/04/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Brylinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dezellus, Anna Fraczkiewicz, Jean-Philippe Couzinie, Dominique Poquillon, Damien Fabrègue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Fraczkiewicz, Jean-Philippe Couzinie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages concentrés complexes

Alliage à haute entropie

Matériaux

Réacteurs à eau légère

Réacteurs nucléaires -- Matériaux

Mots clés libres

AHE

CALPHAD

Hall-Petch

Cr-Fe-Mn-Ni

Thermodynamique

ACC

HEA

CCA

CALPHAD

Résumé

Afin de remplacer le Stellite 6, un alliage base cobalt utilisé comme revêtement de surface de diverses pièces en friction du circuit primaire des réacteurs nucléaires à eau légère, le couplage de méthodes numériques et expérimentales dans le domaine des AHE (Alliages Haute Entropie) a été proposé. Le système Cr-Fe-Mn-Ni a été choisi comme base AHE. Des calculs thermodynamiques de type Calphad, via Thermo-Calc et la base de données TCHEA3, ont permis de prédire les phases stables à 1100°C d’un plan iso-chrome à 20 %at. et d’identifier la zone de stabilité de la phase cubique face centrée (cfc). Deux modèles de durcissement de la littérature, de Varvenne et Walbrühl, ont été implémentés et utilisés afin de dégager les tendances au durcissement parmi ces compositions. La prédiction du mécanisme de déformation a été proposée à partir des données à température ambiante des bases de données thermodynamiques. Ensuite, une dizaine de compositions cfc AHE ont été élaborées par fusion par arc suivie de traitements thermomécaniques de sorte à obtenir la recristallisation de grains équiaxes. Des caractérisations au microscope électronique à balayage et de diffraction des rayons X ont permis de vérifier la véracité des calculs thermodynamiques. Des essais de traction ont permis d’extrapoler le durcissement de réseau intrinsèque, propriété mécanique fondamentale des solutions solides. Dans une seconde partie, l’ajout de W et C aux bases AHE a été étudié, afin de précipiter des carbures eutectiques M7C3 et de former des ACC (Alliages Concentrés Complexes). Pour cela, des calculs de solidification de Scheil ont été réalisés, puis une vérification expérimentale sur 6 ACC a eu lieu. Les microstructures de solidification ont été comparées aux calculs et ont démontré une très bonne capacité prédictive des bases de données. Enfin, des essais de frottement bille sur disque ont été réalisés afin de comparer les performances des ACC à celles du Stellite 6. Les résultats sont encourageants mais il sera important de réaliser ces essais dans les conditions de service (température, pression, eau et chimie) du Stellite 6 pour réellement conclure de l’applicabilité de ces nouveaux alliages.

In order to replace Stellite 6, a cobalt-based alloy used as a surface coating for various friction parts in the primary circuit of light water nuclear reactors, the coupling of numerical and experimental methods in the field of HEAs (High Entropy Alloys) was investigated. The Cr-Fe-Mn-Ni system was chosen as HEA basis. Thermodynamic calculations of the Calphad type, via Thermo-Calc and the TCHEA3 database, made it possible to predict the stable phases at 1100°C of an iso-chromium plane at 20% at. and identify the zone of stability of the face-centered cubic (fcc) phase. Two hardening models from the literature, from Varvenne and Walbrühl, were implemented and used in order to identify the hardening tendencies among these compositions. The prediction of the deformation mechanism has been proposed using room temperature data of thermodynamic databases. Then, about ten fcc AHE compositions were developed by arc melting followed by thermomechanical treatments so as to obtain the recrystallization of equiaxed grains. Scanning electron microscopy and X-ray diffraction characterizations made it possible to verify the veracity of the thermodynamic calculations. Tensile tests have made it possible to extrapolate the intrinsic network hardening, a fundamental mechanical property of solid solutions. In a second part, the addition of W and C to HEAs bases was studied, in order to precipitate M7C3 eutectic carbides and form CCAs (Complex Concentrated Alloys). For this, Scheil solidification calculations were carried out, then an experimental verification on 6 ACCs took place. The solidification microstructures were compared to the calculations and demonstrated a very good predictive capacity of the databases. Finally, ball-on-disc friction tests were carried out in order to compare the performance of the CCAs with those of the Stellite 6. The results are encouraging, but it will be important to carry out these tests under same service conditions (temperature, pressure, water and chemistry) as of Stellite 6 to really conclude on the applicability of these new alloys.