Elaboration d’alliages à haute entropie à architecture contrôlée par extrusion de poudres

La conception d’alliages combinant une résistance mécanique élevée et une ductilité importante constitue un enjeu majeur pour la communauté scientifique. L’élaboration de microstructures dites « dual-phase » constitue une des pistes explorées. Ces microstructures associent deux phases. L’une présente une haute limite d’élasticité conjointe à une dureté élevée, ce qui confère au matériau des propriétés de résistance mécanique importantes. La deuxième phase présente une limite d’élasticité plus basse et une ductilité plus importante, ce qui permet de préserver une certaine capacité de déformation et donc de mise en forme.

Les Alliages à Haute Entropie (HEA en anglais) sont une classe d’alliages relativement nouvelle. Ils ont été décrits pour la première fois il y a une vingtaine d’années et font l’objet, depuis 10 ans, d’une recherche croissante dans le monde. Ils se distinguent des alliages classiques car ils ne sont pas constitués d’un élément majoritaire mais par plusieurs éléments (au moins 5) en proportion importante (entre 5 et 35%at.). La grande variété de compositions possibles conduit à un nombre important de microstructures et des propriétés (mécaniques, physiques, chimiques) pouvant être remarquables. Leur structure cristalline, et les propriétés mécaniques qui en découlent, dépendent étroitement de leur composition. Il est ainsi possible, en jouant sur celle-ci, de faire apparaitre une deuxième phase, de structure et de propriété différentes. L’objectif de cette thèse est d’élaborer des alliages HEA biphasés (type dual-phase) présentant une microstructure architecturée. A l’heure actuelle, cette stratégie est essentiellement appliquée aux aciers. Quelques études concernant les HEA « dual-phase » existent mais il y en a peu et elles sont réalisées sur des HEA de composition chimique très différente du système que nous avons retenu.

Pour élaborer de tels matériaux, un procédé original sera développé. Il s’agit de l’extrusion à chaud d’un mélange de poudres non alliées. Ce procédé consiste à extruder à une température modérée un mélange de poudres d’éléments purs constituant l’alliage final, puis à réaliser un traitement thermique, à l’état solide, à plus haute température sur la pièce extrudée. Un tel procédé permet de s’affranchir des inconvénients liés aux méthodes classiques de fusion/coulée et de mise en alliage par broyage. De plus, l’étape d’extrusion de la poudre, en induisant de très fortes contraintes de cisaillement et de confinement, conduit à la déformation et à l’interpénétration des particules de poudre. Lors du traitement thermique, les phénomènes de diffusion à l’origine de la mise en alliage mais également de la cohésion mécanique entre les particules, sont alors amplifiés.

Après une étude bibliographie, le doctorant sélectionnera avec ses encadrants une composition d’alliage. Celle-ci servira à optimiser le procédé d’élaboration par extrusion-frittage réaction afin d’obtenir les microstructures voulues. Par la suite, cette composition sera ajustée en fonction des propriétés d’usage répondant aux problématiques industrielles. Outre le travail d’élaboration, une étude des propriétés mécaniques sera entreprise par microdureté et essai de traction ainsi qu’un suivi des microstructures par DRX et microscopie électronique (MEB et MET).