Étude du comportement mécanique de nanoparticules isolées et intégrées dans une matrice métallique. Application aux superalliages base Nickel

Mechanical Behavior Study of Free Standing and Embedded Nanoparticles in a Metal Matrix. Application to Nickel-Based Superalloys

• Auteur / Autrice : Alla Ndiaye Dieng
• Direction : Jean-Claude Grandidier, Céline Gérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Douin, Erik Bitzek, Sandrine Brochard, Jonathan Cormier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Fivel, Dan Mordehai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité

Nickel -- Alliages

Nanoparticules

Microstructure (physique)

Matériaux nanostructurés

Dynamique moléculaire

Propriétés mécaniques

Alliages réfractaires

Mots clés libres

Ni3Al

Nanoparticules dans une matrice

Ni3Al

Nanoparticles in a matrix

Résumé

La microstructure des matériaux multiphasés nanostructurés permet des performances thermomécaniques particulièrement intéressantes, en phase avec les besoins industriels. Le développement d’approches numériques constitue un excellent moyen d’étude de leur comportement mécanique à haute température, l’approche expérimentale étant rendu difficile compte tenu de l’échelle d’étude nanométrique. Ainsi, la dynamique moléculaire est utilisée dans le cadre de cette thèse pour mieux comprendre et expliciter le lien entre microstructure et comportement mécanique à haute température de certains superalliages à base nickel. Les premiers travaux réalisés sont dédiés à l’évaluation de la technique de calcul de la dynamique moléculaire. Des tests de compression sont effectués sur des nanoparticules de nickel et d’aluminium. Les résultats obtenus montrent que le modèle de champ de force le plus communément utilisé peut avoir un impact sur la réponse mécanique des nanoparticules selon la direction de chargement considérée. Les effets des parties attractive et/ou répulsive du champ de force, lors de l’interaction avec la nanoparticule, sont étudiés. Ce préambule a permis de consolider la modélisation numérique. Cette thèse porte ensuite sur le système Ni3Al/Ni, représentation simplifiée à l’échelle nanométrique de précipités au sein de leur matrice, servant de base d’étude dans le cadre des superalliages bases nickel. L’objectif est de tenter de mieux expliquer le rôle du précipité Ni3Al et de son interface avec la matrice dans le comportement mécanique de certains superalliages base nickel. Le comportement mécanique de nanoparticules de Ni3Al isolées est tout d’abord analysés. Les modes de déformations observés dépendent de la température et de l’orientation cristallographique. Les résultats sont discutés en considérant l’évolution de la contrainte, de la surface de contact et des mécanismes de plasticité en fonction de la forme, de la température et de l’orientation cristallographique. Le comportement mécanique du système Ni3Al/Ni dans son ensemble est ensuite abordés. Des tests de compression et de traction ont été conduits à différentes températures. Les résultats obtenus font état d’une asymétrie en traction/compression sur la limite d’élasticité, en accord avec la littérature expérimentale. Cette asymétrie, de même que le comportement mécanique de manière plus globale, varient en fonction de la température, de la forme du précipité et de la fraction volumique du système Ni3Al/Ni. Les évolutions des densités de dislocations d’interface, et des contraintes issues du désaccord paramétrique de maille entre les phases Ni et Ni3Al, sont analysées en fonction de la température, de la forme du précipité et de la fraction volumique du système. De plus, la variation de la fraction volumique du précipité selon la forme du renfort et/ou la température est également étudiée. Le lien entre la microstructure à l’échelle nanométrique et certaines caractéristiques spécifiques du comportement a ainsi pu être explicité pour la première fois.

The microstructure of nanostructured multiphase materials allows particularly interesting thermomechanical performances, in line with industrial needs. The development of numerical approaches is an excellent means of studying their mechanical behavior at hightemperature, the experimental approach being made difficult given the nanometric study scale. Thus, molecular dynamics is used in this thesis to better understand the link between microstructure and mechanical behavior at high temperature of some nickel-based superalloys.The first works carried out are dedicated to the evaluation of the simulation technique of molecular dynamics. Compression tests are performed on nickel and aluminum nanoparticles. The results obtained show that the most commonly used force field model can have an impact on the mechanical response of nanoparticles depending on the loading direction considered. The effects of the attractive and/or repulsive parts of the force field, during the interaction with the nanoparticle, are studied. This preamble allowed to consolidate the numerical modelling.This thesis then focuses on the Ni3Al/Ni system, a simplified representation at the nanometric scale of precipitates within their matrix, serving as a basis for study in the context of nickel-base superalloys. The objective is to try to better explain the role of the Ni3Al precipitate and its interface with the matrix in the mechanical behavior of certain nickel-based superalloys.The mechanical behavior of isolated Ni3Al nanoparticles is first analyzed. The deformation modes observed depend on the temperature and the crystallographic orientation. The results are discussed considering the evolution of stress, contact surface and plasticity mechanisms as a function of shape, temperature and crystallographic orientation.The mechanical behavior of the Ni3Al/Ni system as a whole is then studied. Compression and tensile tests were conducted at different temperatures. The results obtained show an asymmetry in tension/compression on the elastic limit, in agreement with the experimental literature. This asymmetry, as well as the mechanical behavior more generally, vary according to the temperature, the shape of the precipitate and the volume fraction of the Ni3Al/Ni system. The evolutions of the interface dislocation densities, and of the stresses resulting from the lattice parametric mismatch between the Ni and Ni3Al phases, are analyzed as a function of the temperature, the shape of the precipitate and the volume fraction of the system. In addition, the variation of the volume fraction of the precipitate according to the shape of the reinforcement and/or the temperature is also studied. The link between microstructure at the nanometric scale and certain specific characteristics of behavior was thus made explicit for the first time.