CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Calcul contrôlé des caractéristiques des défauts ponctuels dans les allliages à haute entropie – CoCoA

CoCoA - Calcul Contrôlé des Caractéristiques des Défauts Ponctuels dans les Alliages à Haute Entropie

Ce projet vise à obtenir une meilleure compréhension de la physique des défauts ponctuels (DP) dans les alliages à haute entropie (HEAs), et à établir des conditions et méthodes pour calculer précisément leurs propriétés intrinsèques à l'échelle atomique. Ces grandeurs peuvent ensuite être transportées dans des modèles mésoscopique (e.g. propriétés mécaniques et de diffusion) afin de prédire le comportement des HEAs et de guider le design d'alliage.

Complexité chimique et défauts ponctuels

Les HEAs représentent un challenge pour les simulations numériques en raison de leur grand nombre de composants en forte concentration et de leur caractère très désordonné. En particulier, les propriétés des défauts ponctuels dans ces matériaux correspondent à des distributions, dont on souhaiterait qu'elle soient déterminées par méthodes ab initio. <br /><br />Cela pose des problèmes de convergence puisque ce type de calcul est limité à quelques centaines d’atomes : la représentativité du désordre doit être assurée tout en traitant correctement les effets élastiques à longue portée. Des schémas correctifs existent pour les défauts ponctuels dans les matériaux purs, mais une démarche analogue est nécessaire pour les matériaux de concentration finie. <br /><br />Par ailleurs, la finesse avec laquelle une distribution de propriétés d'un défaut ponctuel doit être calculée est dictée par son influence sur la propriété mésoscopique modélisée ensuite. Autrement dit, des modèles de complexité croissante nécessiteront des distributions de mieux en mieux caractérisées comme données d'entrée, si tant est qu'elles sont des paramètres sensibles desdits modèles. <br /><br />L'objectif de ce projet est donc de répondre à ces enjeux, en se focalisant sur les propriétés de défauts ponctuels en lien avec la plasticité et la diffusion.

Afin de répondre à ces objectifs, l'approche utilisée :

1) considère des compositions arbitraires - c'est-à-dire aussi bien les limites diluées que les concentrations finies - sur un ensemble d'alliage modèles binaires, ternaires, etc. de structure cristallographique simple. En particulier, les systèmes Ti-Zr-Nb cubiques centrés et Cu-Ni/Fe-Ni-Cr cubiques à faces centrées sont étudiés. Les défauts ponctuels envisagés vont des défauts les plus petits (lacunes, solutés, auto-interstitiels), aux défauts étendus (boucles de dislocations, tétraèdres de fautes d'empilement, etc.).

2) s'appuie sur la génération d'une base de données à l'échelle atomique sur l'énergétique et les dipôles élastiques de défauts ponctuels. Des potentiels semi-empiriques (EAM,..) permettent des calculs exhaustifs, en raison de leur légèreté numérique. Des calculs ab initio, plus coûteux, sont utilisés de façon plus restreinte et sur un système ayant de très bonnes propriétés mécaniques (Ti-Zr-Nb).

3) combine une modélisation en théorie élastique des défauts pour traiter les effets à longue portée avec des approches probabilistes pour quantifier l'incertitude sur la représentativité du désordre chimique. Les bases de données générées via les calculs atomistiques servent à valider la méthode et à démontrer son utilité sur un cas «réel«.

4) utilise et/ou développe des modèles semi-analytiques des propriétés des matériaux de complexité croissante, pour analyser la sensibilité aux distributions de caractéristiques de DP. La limite d'élasticité et la diffusion sont les propriétés visées en premier lieu.

1) Une base de donnée exhaustive en potentiel EAM a été générée pour les énergies de formation de lacunes et d’auto-interstitiels dans des alliages modèles cfc pour le système Cu-Ni. Les résultats montrent une convergence complexe : les effets élastiques sont d’importance comparable à ceux observés dans des matériaux purs, et la prise en compte du désordre chimique nécessite un grand nombre de configurations aléatoires pour atteindre une précision importante, notamment pour les dipôles élastiques. En particulier, il est montré que l’utilisation de structures uniques quasi-aléatoires peut s'avérer hasardeuse, et quelle s’accompagne d’une perte d’information sur la quantification d’incertitude. Par ailleurs, les développements en théorie élastique pour les défauts ponctuels en milieu concentré ont été réalisés, permettant la généralisation du schéma correctif de la convergence avec la taille de boite existant pour les matériaux dilués. Les tests réalisés montrent de bonnes performances.

2) Une étude ab initio portant sur le système cc Ti-Zr-Nb en limite diluée a permis de mettre en évidence des transformations de phases displacives cc?? induites par des défauts substitutionnels (lacunes et solutés), partant de structures cc métastables. La signature de cette transformation est caractérisée au niveau structural et de la densité électronique locale. Ce résultat est surprenant, puisque ces défauts simples ne brisent pas la symétrie de permutation des axes du trièdre de base, mais s’explique par une activation de modes de phonons mous dans huit directions équivalentes, générant ainsi différents variants de phase ?. Ce fait est en accord avec plusieurs observations expérimentales, notamment dans les alliages Zr-Nb et Ti-Nb, où des particules de phases ? fines - dont la croissance est ralentie - sont observées.

3) Un modèle analytique de durcissement par solution solide a été généralisé au cas d’élasticité anisotrope, et comparé au cas d'élasticité isotrope pour une série d'alliages modèles [1]. Cela permettra de tester plus précisément l’influence des distributions de propriétés de solutés substitutionnels dans les HEAs.

4) La stabilité de défauts d'irradiation étendus interstitiels et lacunaires (boucles de dislocations) a été étudiée en limite diluée dans le zirconium a, par simulations atomiques et modélisation continue. L’ensemble des vecteurs de Burgers/séquences d’empilement considérés dans les plans prismatique et basal correspond aux observations expérimentales. Les énergies de formation et structures ont été déterminés avec deux potentiels EAM pour Zr, pour des boucles hexagonales et circulaires de tailles croissantes. Le recuit par dynamique moléculaire de ces boucles a validé le paysage d’énergie potentielle postulé. Finalement, la modélisation continue calibrée de façon hybride entre calculs ab initio et simulations EAM indique que la coexistence de boucle < a> lacunaire et interstitielle est soutenue par des arguments de stabilité.

Perspectives pour la deuxième partie du projet :

• calculs ab initio des propriétés de la lacune dans Ti-Zr-Nb cc, pour des concentrations finies. Les liens entre stabilité, métastabilité, instabilité du défaut et transitions de phases seront explorés suivant la composition d'alliage,

• calculs en potentiels empiriques des distributions de propriétés de défauts ponctuels et étendus sur des alliages équiatomiques ternaires, quaternaires modèles. Ce travail permettra d'ajouter la variable «nombre de composants« à la difficulté liée au désordre au sein de l'étude,

• analyses de sensibilité aux distributions de caractéristiques des DP sur les propriétés de diffusion et sur le durcissement par solution solide.

[1] S. Nag, C. Varvenne and W. A. Curtin, Solute-strengthening in elastically anisotropic fcc alloys, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 28, 025007 (2020)
[2]. C. Dai, C. Varvenne et al., Stability of vacancy and interstitial dislocation loops in a-zirconium: atomistic calculations and continuum modelling , J. Nucl. Mater. 554, 153059 (2021)

Les alliages à haute entropie (AHE) constituent une nouvelle classe d'alliages métalliques multicomposants à forte concentration, stables à l'état de solution solide, et cristallisant dans des systèmes très simples. Les AHEs élaborés jusqu’à présent couvrent une grande partie de la classification périodique des éléments, puisque l’on rencontre des HEAs de métaux de transition, de métaux nobles, d’élements légers, ou encore d’éléments réfractaires. Ils possèdent des propriétés mécaniques exceptionnelles, une diffusion très lente (bloquant les potentielles transformations de phases), une grande résistance aux dommages d’irradiation et à la corrosion. Ces qualités en font des matériaux particulièrement attractifs pour les applications industrielles.
Ces matériaux sont intrinsèquement complexes, en raison du grand nombre d’éléments tous présents en forte concentration: ils présentent un désordre important de nature chimique, structurale (distortions) et éventuellement magnétique. Par conséquent, ce sont des matériaux difficiles à appréhender tant du point de vue théorique que des simulations numériques, qui traitent plus traditionnellement les matériaux dilués.
Les défauts ponctuels jouant un rôle primordial dans les propriétés des matériaux, le calcul de leurs caractéristiques doit se faire précisément, et préférentiellement par méthode ab initio. Cependant, les différents environnements chimiques et structuraux impliquent une distribution statistique de ces caractéristiques, ce qui constitue un point bloquant pour les calculs ab initio, limités à quelques 100 atomes. La représentativité du désordre et l'échantillonnage correct des grandeurs calculées ne sont plus assurés. De plus, les champs élastiques à longue portée associés aux défauts ponctuels posent un problème de convergence supplémentaire.
L'objectif de ce projet est donc fiabiliser le calcul ab initio de caractéristiques de défauts ponctuels dans les AHEs. Ceci comprend la compréhension fine de ce qui pilote la morphologie des distributions de caractéristiques de ces défauts, ainsi que la modélisation, correction et quantification des erreurs associées aux effets de taille de boite finie dans ces systèmes. La connection entre la morphologie des distributions, et deux propriétés des AHEs, le durcissement par solution solide et la diffusion, sera finalement réalisée.

Coordination du projet

Céline VARVENNE (Centre National de la Recherche Scientifique DR12 Centre Indisciplinaire de Nanoscience de Marseille)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CINaM Centre National de la Recherche Scientifique DR12 Centre Indisciplinaire de Nanoscience de Marseille

Aide de l'ANR 222 912 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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