Étude des effets de l’ajout d’éléments réfractaires sur l’évolution microstructurale et la performance mécanique des alliages à moyenne entropie élaborés par FA

Présentation du projet doctoral, contexte et objectifs :
Les alliages à moyenne et haute entropie (MEA/HEA) suscitent un intérêt croissant pour leurs microstructures uniques et leurs propriétés mécaniques remarquables, ce qui les rend prometteurs pour les secteurs automobile, aérospatial et maritime [1–3]. Jusqu’à présent, les recherches se sont principalement concentrées sur des structures monophasées cubiques à faces centrées (CFC) ou cubiques centrées (CC) [4–6]. En général, les alliages CFC offrent une excellente ductilité mais une résistance mécanique limitée, alors que les alliages CC présentent l’inverse [7,8].
Le MEA FeCrNi, par exemple, attire particulièrement l’attention grâce à sa combinaison unique de résistance mécanique, de ductilité et de résistance à la corrosion, suggérant son potentiel en tant qu’acier inoxydable, bien que l’amélioration de sa résistance reste un enjeu majeur [9,10]. Dans ce contexte, la fabrication additive (FA) apparaît comme une méthode prometteuse pour optimiser ces propriétés, notamment par les mécanismes de renforcement induits lors de la solidification rapide.
Le procédé de FA génère des microstructures hiérarchiques où les atomes solutés, en particulier les éléments réfractaires, se ségrégent aux interfaces, renforçant ainsi la solution solide et les propriétés mécaniques globales [11,12]. Ce phénomène est particulièrement marqué dans les alliages à base d’aluminium, de fer, de nickel et de cobalt [13–16]. Par exemple, dans l’acier inoxydable austénitique 316L, des éléments à haut point de fusion comme le molybdène et le chrome s’accumulent aux joints de grains cellulaires, renforçant la résistance mécanique [14]. De même, dans l’alliage de nickel IN718, la ségrégation d’éléments réfractaires favorise la formation d’une phase mineure de Laves, améliorant ainsi la limite d’élasticité [15].
Contrairement aux alliages conventionnels, la diversité élémentaire et la complexité compositionnelle des MEA/HEA peuvent induire des hétérogénéités microscopiques. Bien que plusieurs études sur l’alliage de Cantor FeCoCrMnNi le HEA FeCoCrNi élaborés par FA n’aient pas détecté de ségrégation significative – possiblement en raison des limites de résolution des techniques analytiques – une étude récente utilisant l’imagerie HAADF-STEM sur un MEA FeCrNi réalisé par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) a mis en évidence une ségrégation modérée du chrome le long des joints de grains, améliorant à la fois la résistance mécanique et la corrosion [17]. Dans cette optique, l’ajout d’éléments réfractaires apparaît comme une stratégie efficace pour accentuer la ségrégation aux joints de grains et renforcer les propriétés mécaniques des MEAs. Ainsi, cette étude propose de mélanger de la poudre de MEA FeCrNi avec des poudres d’éléments réfractaires (W, Mo, Ta, V, Zr) et de traiter ce mélange par fusion laser sur lit de poudre (LPBF), afin d’analyser rigoureusement l’impact de ces ajouts sur la microstructure et les propriétés mécaniques. Les résultats permettront d’établir des bases solides pour l’optimisation des compositions HEA/MEA destinées à la fabrication additive.
Cette étude a pour objectif d’explorer les relations complexes entre le procédé de fabrication, la microstructure et les propriétés mécaniques d’alliages à entropie moyenne (MEA) à base de FeCrNi, dopés avec de faibles teneurs en éléments réfractaires et élaborés par LPBF. Dans un premier temps, des pré-alliages de type FeCrNi seront enrichis en éléments réfractaires (Ta, Nb, Mo, V, Zr), puis utilisés pour la fabrication de matériaux par LPBF. L’influence de l’ajout de ces éléments sur la microstructure et les propriétés mécaniques des MEA ainsi obtenus sera ensuite analysée de manière approfondie. L’optimisation du procédé visera à identifier les conditions de fabrication les plus adaptées à la mise en oeuvre de ces alliages par LPBF. L’étude microstructurale s’appuiera sur un large éventail de techniques de caractérisation avancées, incluant la diffraction des rayons X (XRD), la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), la microscopie électronique à balayage (SEM), l’imagerie par contraste de canalisation électronique (ECCI), ainsi que la microscopie électronique en transmission (TEM) et en transmission à haute résolution (HRTEM). Les propriétés mécaniques seront évaluées de manière détaillée afin de mieux comprendre les mécanismes de durcissement et de renforcement liés à la fois à la composition chimique des alliages et aux spécificités du procédé de fabrication additive. Cette étude vise ainsi à fournir une compréhension globale des interactions entre procédé, microstructure et performances mécaniques, dans le but de favoriser le développement d’applications industrielles avancées des alliages à entropie moyenne à base de FeCrNi dopés en éléments réfractaires.

Co-Encadrants
Encadrant : Bassem BARKIA (Maître de Conférences).
Co-encadrante : Zehoua Hamouche (Maître de Conférences).
Directeur de thèse : Patrice PEYRE (Directeur de recherche CNRS).

Références
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Le laboratoire PIMM (Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux) développe des activités de recherche basées sur les approches multi-échelles expérimentales, théorique, et numériques, en vue de décrire et de relier de manière systématique les mécanismes élémentaires de déformation, la microstructure du matériau et son évolution, le comportement effectif d'un Volume Elémentaire Représentatif, et le procédé d'élaboration ou de transformation.

Titulaire d'un Master ou d’un diplôme d’ingénieur idéalement en sciences des matériaux métalliques, le candidat recherché devra avoir une appétence pour l’expérimental et les essais de caractérisation. De précédentes expériences professionnelles (stages par exemple) en laboratoire de recherche ou dans des entreprises travaillant dans le domaine de la fabrication additive seront appréciées. Le candidat aura également l’opportunité d’approfondir son expertise en microscopie électronique (MEB-EBSD, FIB, MET…).