Etude expérimentale et modélisation thermodynamique du système Cr-Fe-Mo-Ti pour le remplacement des revêtements à base cobalt.

Experimental study and thermodynamic modelling of the Cr-Fe-Mo-Ti system for replacing cobalt-based coatings.

• Auteur / Autrice : Agustin Flores
• Direction : Jean-Marc Joubert
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 09/04/2024
• Etablissement(s) : Paris 12
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICMPE - Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Métallurgie et Matériaux Inorganiques
• Jury : Président / Présidente : Charles-André Gandin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Joubert, Stéphane GOSSé, Anna Louise Smith
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Dezellus, Anna Fraczkiewicz

Mots clés

Mots clés libres

Cr-Fe-Mo-Ti

Calphad

Thermodynamique

Sans cobalt

Revêtements

Base de données

Cr-Fe-Mo-Ti

Calphad

Thermodynamic

Cobalt-free

Coating

Database

Résumé

Des alliages à base de cobalt sont actuellement utilisés dans l’industrie en tant que revêtement résistant à la corrosion et à l’usure. Le cobalt est considéré comme un élément stratégique. Le prix est soumis aux conflits géopolitiques et les conditions d’extraction ont été dénoncées. De plus, soumis au rayonnement neutronique cet élément s’active en 60Co, un isotope radioactif, c’est pourquoi ses applications dans le milieu nucléaire sont limitées. Les revêtements à base de cobalt sont utilisés sur les vannes du circuit primaire des réacteurs nucléaires et constituent l’un des déchets radioactifs les plus importants. A ce jour, il n’y a pas un alliage aussi performant pour remplacer ces revêtements à base de cobalt qui résistent l’environnement nucléaire. L’objectif de la thèse est de développer une base des données thermodynamique Calphad qui permettra de modéliser et de sélectionner des nouveaux alliages adaptés à la problématique. Cette méthode permet de prédire la structure des alliages en fonction de leur composition et de la température. En se basant sur de précédents travaux, le système d’alliage Cr Fe Mo Ti a été sélectionné. Cette base de données a été construite à partir de données de la littérature, des travaux expérimentaux et des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Dans la dernière étape de la thèse, des calculs d'application avec la base de données développée ont été réalisés. Sur la base des prédictions, certains alliages ont été synthétisés dans le but de montrer et de vérifier le potentiel prédictif de la base de données et la méthode Calphad. En même temps, les propriétés de ces alliages seront mesurées, en évaluant leur capacité pour remplacer les alliages à base de cobalt.

Cobalt-based alloys are currently used in the industry as corrosion and wear-resistant coatings. Cobalt is considered a strategic element. Its price is subject to geopolitical conflict and extraction conditions have been criticized. In addition, when exposed to neutron radiation, this element is activated into 60Co, a radioactive isotope, which limits its use in nuclear applications. Cobalt-based coatings are used on the primary circuit valves of nuclear reactors and constitute one of the most significant sources of radioactive waste. Up to now, there is no other alloy as effective to replace these cobalt-based coatings in the nuclear environment. The objective of this thesis is to develop a Calphad thermodynamic database that will enable, through modeling, the selection of new alloys suitable for this application. Using this method, it is possible to predict the structure of an alloy as a function of its composition and temperature. Based on previous work, the Cr Fe Mo Ti alloy system was selected. This database was constructed using literature data, experimental work, and calculations based on the density functional theory (DFT). In the final stage of the thesis, applicative calculations were performed using the developed database. Based on the predictions, certain alloys were synthesized to demonstrate and verify the predictive potential of the database and the Calphad method. Simultaneously, the properties of these alloys were measured to evaluate their ability to replace cobalt-based alloys in nuclear environments.