Création d’un alliage intercalaire à haute entropie pour la réalisation d’assemblages laser titane/kovar

Le Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), Unité Mixte de Recherche CNRS / UBE / UTBM compte plus de 350 physiciens, chimistes, ingénieurs et techniciens implantés en Bourgogne-Franche-Comté, sur les sites de Dijon, Le Creusot, Chalon-sur-Saône et Belfort (Sévenans).
Ils y développent de nouvelles fonctionnalités en optique et pour les matériaux du futur, à destination d’applications dans l’industrie (photonique, métallurgie, industrie 4.0,…), la médecine, les communications optiques à haut débit, le traitement de l’information à une échelle nanométrique, l’énergie et les technologies quantiques. Soutenus par 5 plateformes technologiques, l’unité s’articule autour de 6 départements de recherche.

Pour la durée du stage, l’étudiant sera basé sur le site du Laboratoire ICB du Creusot (département PMDM).

Les informations plus détaillées sur notre département : https://icb.cnrs.fr/procedes-metallurgiques-durabilite-materiaux/

L’assemblage par fusion entre le titane et des alliages à base de fer est particulièrement difficile en raison de la formation de phases intermétalliques fragiles (FeTi, Fe₂Ti, etc.), susceptibles de conduire à la fissuration à froid. La stratégie classique pour la réalisation de tels assemblages repose sur l’utilisation de métaux intercalaires métallurgiquement compatibles avec les deux matériaux de base, ainsi que sur le contrôle de la dilution de ces matériaux, soit dans une zone fondue commune avec le métal intercalaire, soit dans deux zones fondues binaires séparées par l’intercalaire demeurant solide. De tels métaux sont très peu nombreux, ils sont rares et coûteux, le plus adapté étant le vanadium. Le cœur du problème d’incompatibilité entre le titane et les alliages ferreux étant la formation de phases intermétalliques, l’augmentation drastique de l’entropie dans la zone fondue commune pourrait réduire, voire inhiber, la précipitation de ces phases fragiles.

Dans cette optique, le but central de ce stage est de concevoir un alliage intercalaire qui permettrait de former une zone fondue à très haute entropie lors du soudage laser entre l’alliage FeCoNi Kovar et le titane, avec la finalité de tester sa soudabilité. Dans un premier temps, la simulation Thermo-Calc sera employée afin de définir la composition possible d’un tel alliage, en s’appuyant sur la bibliographie existante et sur les compétences développées au sein du Laboratoire ICB. L’alliage intercalaire devra satisfaire deux critères : ne contenir que des solutions solides BCC ou FCC et conserver ces phases dans une plage de dilution suffisamment large pour permettre un assemblage laser robuste entre le kovar et le titane.

L’alliage intercalaire de la composition optimisée sera produit par la fonderie. Il devra présenter une composition chimique homogène ainsi qu’une résistance à la traction suffisante pour ne pas constituer le maillon faible lors des sollicitations mécaniques d’un assemblage soudé. Sa teneur en phases sera confrontée aux résultats des simulations Thermo-Calc.

L’étude de soudabilité commencera par la réalisation des assemblages Ti6Al4V/Kovar sans matériau intercalaire, puis se poursuivra avec un intercalaire HEA produit qui formera une zone fondue commune avec les matériaux de base (le soudage en une seule passe). Les assemblages dissimilaires seront réalisés au moyen d’un laser vert, en employant l’oscillation du faisceau (« wobbling »), qui permettrait de contrôler les dilutions et de bien homogénéiser la zone fondue. L’étudiant découvrira alors un équipement de soudage laser de pointe chez le partenaire industriel PME Laser Rhône-Alpes. Les caractérisations microstructurales au moyen du MEB-EDS et DRX, ainsi que les caractérisations mécaniques, seront menées au Laboratoire ICB.  

Le profil recherché est celui d’un étudiant master 2 ou d’un élève ingénieur dans le domaine des matériaux, motivé et minutieux, connaissant les principales méthodes de caractérisation microstructurale et mécanique des métaux. Des compétences déjà acquises en Thermo-Calc ou, éventuellement, en deep learning constitueront un atout complémentaire. Dans le cas de résultats encourageants, ce travail pourrait être poursuivi sous la forme d’une thèse CIFRE.