CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Caractérisation mécanique à l’échelle MICRO-métrique de couches minces d’alliages à haute entropie – MICRO-HEAs

Résumé de soumission

Les alliages à haute entropie en couches minces (TF-HEA) sont une classe émergente de matériaux métalliques multicomposants généralement équiatomiques présentant une combinaison exceptionnelle de propriétés mécaniques : notamment une grande limite élastique et une ductilité (respectivement >3 GPa et >20% pour NbMoTaW) ainsi qu'une résistance aux températures élevées (> 800 °C) et aux environnements agressifs [1,2]. Cependant, leur complexité structurelle (distorsion du réseau, microstructure et composition) ainsi que la difficulté de fabriquer et de manipuler des échantillons à l'échelle micrométrique empêchent la compréhension des mécanismes de déformation plastique et des propriétés mécaniques, en limitant le développement de films architecturés avec des propriétés optimisées pour les applications industrielles.

Dans ce contexte, le projet MICRO-HEAs vise à fabriquer des TF-HEA multicomposants complexes, en étudiant la relation structure atomique – propriétés mécaniques, de l’échelle macroscopique jusqu'à l'échelle (sub)micrométrique. Les TF-HEA seront produits par pulvérisation magnétron en se concentrant sur le système AlxCoCrCuFeNi offrant différentes structures atomiques cristallines (fcc, bcc) et amorphes variant le pourcentage d'Al [3,4], dont les propriétés mécaniques sont peu explorées à faible échelle. Dans une deuxième étape, des TF-HEA avancés seront déposés impliquant des raffinements des grains, des phases duplex (fcc + bcc, cristallines + amorphes) et l’addition du Ti (au lieu de Al, TixCoCrCuFeNi) pour améliorer encore les propriétés mécaniques et explorer des comportements de la déformation encore inconnus.

Des techniques avancées, telles que les spectroscopies optoacoustique (diffusion Brillouin de la lumière et l’acoustique picoseconde) [5] et des tests de compression/fracture in-situ MEB des micropiliers [6,7], fourniront le comportement élasto-plastique et la résistance à la rupture jusqu’à l’échelle (sub)micromètre, en révélant l'effet de l'épaisseur/volume, de la composition chimique et de la microstructure. Enfin, le comportement mécanique local à l’échelle micrométrique des cibles CoCrCuFeNi HEA sera exploré, dans le but de comprendre le changement des propriétés mécaniques des homologues massives produits par différentes techniques et d'explorer le potentiel des TF-HEA.

Le projet vise également à étendre les moyens expérimentaux disponibles au Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM) avec la fabrication de micro-piliers et des techniques avancées in-situ MEB (compression/fracture de micro-piliers [6,7]) pour l'instant non disponible, tout en permettant d'étudier la plasticité/fracture à micro-échelle et d'accéder aux mécanismes de déformation en direct. De plus, le projet sera renforcé par la collaboration avec le Pr. Gerhard Dehm du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE, Allemagne) parmi les scientifiques mondialement reconnus dans le domaine de la mécanique au petite échelle qui a déjà travaillé sur les HEAs [8]. Dans l'ensemble, le projet MICRO-HEA devrait générer des résultats importants pour la science fondamentale avec aussi des avantages évidents pour la compétitivité de la France et les applications industrielles dans le domaine des revêtements haute performance, la microélectronique, l'aérospatiale, la défense et l'énergie.

Références
[1] D.B. Miracle, O.N. Senkov, Acta Mater. 122 (2017) 448-511.
[2] Y. Zou et al., Nat. Commun. 6 (2015) 7748
[3] B. Braeckman et al., Scripta Mater. 139 (2017) 155-158.
[4] M.-H. Tsai, J.-W. Yeh, Mater. Res. Lett. 2 (2014) 107-123.
[5] T. Pham et al., Appl. Phys. Lett. 103 (2013) 041601
[6] J. Ast et al., Mater. Design 173 (2019) 107762.
[7] M. Ghidelli et al., J. Am. Cream. Soc. 100 (2017) 5731–5738.
[8] W. Lu et al., Advanced Materials 30 (2018) 1804727.

Coordination du projet

Matteo GHIDELLI (Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux)

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

MPIE Max-Planck-Institut für Eisenforschung / Structure and Nano-/ Micromechanics of Materials
LSPM Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux

Aide de l'ANR 232 596 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2022 - 48 Mois

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