Conception assistée par ordinateur de superalliages résistants à l'hydrogène – CADOHRS

La fragilisation par l’hydrogène des alliages de nickel peut avoir de sévères conséquences, e.g. dans les secteurs nucléaire, gazier ou pétrolier. Le but applicatif du projet est de réaliser une conception computationnelle de nouveaux alliages et superalliages de nickel possédant une meilleure résistance à la fragilisation par l’hydrogène (RFH), de bonnes propriétés mécaniques, une bonne tenue à la corrosion, un bas coût…
Des alliages présentant des combinaisons inédites –selon les cas– de propriétés mécaniques, de résistance à l’oxydation, de fabricabilité et de coût ont déjà été conçus en associant des outils de fouille de données (« data mining » / « machine learning »), la thermodynamique prédictive (méthode CALPHAD – « CALculation of PHAse Diagrams »), des modèles physiques et une optimisation multi-objectifs par algorithmes génétiques. Cependant, aucun critère complet n’existe dans la littérature pour relier la RFH à la composition des alliages via leur structure et/ou leur microstructure. Toutefois, la littérature suggère que les carbures MC et que les précipités g’ ayant un fort désaccord paramétrique g/g’ pourraient piéger l’hydrogène et accroître la RFH, bien qu’il n’y en ait pas de preuve formelle. Par ailleurs, la configuration électronique, e.g. via la densité d’états au niveau de Fermi, pourrait aussi influencer la RFH, bien que le modèle existant soit limité en termes de précision et de domaine de composition couvert.
Les objectifs du projet sont ainsi : (i) d’étudier les voies ci-dessus pour augmenter la RFH des alliages de nickel, et (ii) d’exploiter la connaissance générée sous forme de modèles ou critères pour la conception d’alliages à haute performance. Notre stratégie impliquera d’abord la conception, par thermodynamique prédictive, fouille de données et algorithmes évolutionnaires, d’alliages modèles présentant des microstructures spécifiques, i.e. contenant soit seulement des carbures MC soit des g’ avec des valeurs ciblées de désaccord paramétrique g/g’. D’autres alliages modèles seront conçus à l’aide de simulations ab initio, en visant certaines configurations électroniques et interactions avec l’hydrogène. Les alliages modèles seront ensuite élaborés et corroyés à l’échelle du laboratoire, leur microstructure sera caractérisée jusqu’à l’échelle nanométrique (précipités) et leur comportement en présence d’hydrogène sera étudié (perméation, désorption thermique, piégeage, fragilisation…). Ceci apportera de nouvelles connaissances sur les relations entre structure, microstructure et RFH des alliages de nickel, qui seront exprimées sous forme de critères pour améliorer les propriétés des matériaux. Ces critères seront ajoutés aux existants permettant de prédire la microstructure (thermodynamique prédictive), les propriétés mécaniques (fouille de données), la résistance à la corrosion et le coût, pour proposer de nouveaux alliages aux perfomances accrues (y compris leur RFH) par optimisation multi-objectifs. Avec cette augmentation du nombre d’objectifs à traiter simultanément, nous devrons aussi adapter ou changer nos algorithmes d’optimisation. Les alliages conçus seront finalement élaborés et corroyés à l’échelle du laboratoire et caractérisés en termes de microstructure, de propriétés mécaniques et de RFH.
Pour atteindre nos objectifs, le consortium associe (1) un laboratoire de sciences des matériaux avec des experts en simulation ab initio de la cohésion et de la fragilisation des alliages de nickel, en caractérisation microstructurale des métaux ainsi qu’en conception computationnelle d’alliages utilisant la thermodynamique, des modèles physiques, la fouille de données et des algorithmes d’optimisation, (2) un laboratoire d’informatique avec une expertise dans le développement de ces dernières méthodes, et (3) un laboratoire spécialisé dans la fragilisation par l’hydrogène des alliages, possédant également des moyens d’élaboration et de corroyage de matériaux métalliques à composition contrôlée.