Ingénierie des joints de grains des alliages de Titane TWIP pour des propriétés mécaniques améliorées

Grain boundaries engineering for enhanced mechanical properties in TWIP Ti-alloys

• Auteur / Autrice : Thomas Belforti
• Direction : Frédéric Prima
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Métallurgie Structurale (MS)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP)

Mots clés

Mots clés libres

Joints de grains

Titane

Twip

Plasticité

Grain boundaries

Titanium

Twip

Plasticity

Résumé

Afin d'alimenter le développement des nouvelles technologies, les matériaux doivent respecter des spécifications toujours plus élevées, comme une faible densité, une résistance accrue ou la capacité à être sollicité dans des conditions extrêmes telles que l'irradiation, des températures élevées. D'autres contraintes liées à la conception du matériaux telle que la tolérance aux impuretés, accumulées par le recyclage des alliages commence à être considérées dans la recherche métallurgique afin d'accélérer le soutien à l'effort collectif pour réduire les émissions de C02 et limiter le réchauffement climatique. D'autres parts, la satisfaction de plusieurs propriétés simultanées, comme la résistance et la conduction électrique, la résistance et la ductilité grâce à l'écrouissage est recherchée. Pour répondre à ces exigences, plusieurs approches ont été mises en œuvre dans le domaine de la métallurgie pour produire des matériaux sur mesure. Un contrôle complexe du processus de préparation, des traitements thermomécaniques et de la chimie permet de produire des matériaux sur mesure. thermomécaniques et de la chimie permet de produire des microstructures ayant les propriétés recherchées. La formation de phases secondaires, le renforcement de la matrice par une solution solide, la formation de gradients chimiques tels que les décompositions spinodales ont été proposées. Cependant, cela conduit souvent à la conception d'alliages avec des compositions très complexes, comme c'est le cas pour les alliages d'aluminium, illustrée par la famille des superalliages, qui peut contenir plus de 10 éléments d'alliage. Cette voie de développement commence à être remise en question, car le recyclage de ces matériaux et la récupération des éléments deviennent plus complexes [1]. Parmi les autres stratégies permettant d'atteindre des propriétés mécanique sans précédent, l'effet de plasticité induite par le jumelage (TWIP) s'est avéré très efficace pour combiner résistance et ductilité. D'abord conceptualisée et appliquée aux aciers, la stratégie TWIP est désormais une approche prometteuse pour les alliages de titane, qui présentent déjà une combinaison très attrayante de propriétés telles qu'une faible densité et une bonne résistance à la corrosion. En outre, des systèmes chimiques très simples (tels que Ti-Mo ou Ti-V) peuvent produire les propriétés souhaitées, en limitant les alliages chimiques complexes. La réduction de la complexité chimique des alliages est bénéfique pour leur recyclage futur. Pour atteindre un niveau de maturité plus élevé, il faut maintenant poursuivre l'optimisation de la microstructure. Parmi les paramètres microstructuraux à fort potentiel, les joints de grains jouent un rôle critique encore peu étudiés - pour le mécanisme TWIP. Pour répondre aux défis actuels, nous proposons dans ce projet de développer de nouveaux matériaux métalliques à haute performance, légers et résistants à la corrosion, avec un meilleur écrouissage en adaptant la structure et la composition locale des joints de grains, afin de contrôler le déclenchement et la transmission des jumeaux mécaniques à partir d'un point de contact.

To sustain the development of advanced technologies, materials must comply with increasingly challenging specifications, such as a lower density, an increased strength or the ability to perform under extreme conditions, such as irradiation, or high temperatures. Additional materials design constraints, such as the tolerance to impurities, accumulating during alloy recycling, start being considered, in metallurgical research & development to accelerate support to the collective effort towards decreasing CO2 emissions and slow down global warming. Besides, fulfillment of several properties simultaneously, such as electric conduction and strength, or strength and ductility through high work- hardening is now sought. To answer such requirements, several approaches have been implemented in the field of metallurgy to produce tailored-materials. A complex control of the preparation process, the thermomechanical treatments and the chemistry allow to produce microstructures with the targeted properties. Formation of secondary phases, reinforcement of the matrix by solid solution, formation of chemical gradients such as spinodal decompositions have been proposed. However, this often leads to the design of alloys with highly complex compositions, exemplified by the superalloys family, that can contain more than 10 alloying elements. This development path starts being questioned, as the recycling of such materials and the elemental recovery is made more complex [1]. Among other strategies allowing to reach unprecedented mechanical properties, the twinning induced plasticity (TWIP) effect has proven to be highly efficient to combine strength and ductility. First conceptualized and applied in steels, the TWIP strategy is now a promising approach for Ti-alloys, which already display a very attractive combination of properties, such as a low density and a good corrosion resistance. Besides, very simple chemical systems (such as Ti-Mo or Ti-V) can produce the desired properties, limiting complex chemical alloying. Reducing the chemical complexity of the alloys is beneficial for their future recycling. To reach a higher level of maturity, further microstructural optimization has now to be performed. Among the microstructural parameters with great potential, grain boundaries play a critical – yet not investigated in-depth – role for the TWIP mechanism. To answer current challenges, we propose in this project to develop novel high-performance, lightweight and corrosion resistant metallic materials with enhanced work-hardening by tailoring the structure and local composition of grain-boundaries, to control the triggering and transmission of the mechanical twins from abutting grains.