3MPI – Matériaux Métalliques : Microstructures et Procédés Innovants
Chercheurs/Enseignants chercheurs
David Tingaud (resp.)
Guy Dirras
Jia Li
Dominique Vrel
Etudiants/Post-doctorants
Juliette Gandolfi
Mohamed Amine Hattal
Dame Assane Kane
Adrien Mourgout
Cette thématique, comme les deux premières, porte sur l’étude des matériaux métalliques, mais il s’agit cette fois-ci de concevoir et d’élaborer de nouveaux matériaux métalliques qui seront aptes par leurs propriétés intrinsèques à résister aux sollicitations et aux environnements sévères décrits dans la thématique 1 et 2. Il peut s’agir de matériaux de type harmoniques pour lesquels des grains de petites tailles (la coquille) entourent des amas de grains de plus grande taille (le cœur) pour obtenir un ensemble cœur-coquille comportant des gradients de propriétés en mesure de mieux résister aux conditions extrêmes d’utilisation du matériau. Ces aspects feront également l’objet de calculs numériques avec lesquels nous cherchons à mieux comprendre l’origine physique des propriétés mécaniques remarquables obtenus. On retrouve également dans cette thématique l’élaboration d’alliages métalliques à haute entropie (HEA), composés de plusieurs métaux différents en des proportions équivalentes, ce qui peut éventuellement leur donner des caractéristiques intéressante, comme une forte ductilité, ou un forte résistance thermique (matériau réfractaire). Les matériaux réalisés pourront être obtenus par voie de fabrication additive métallique, en collaboration avec l’entreprise Z3DLab, pour des applications bio ou de défense. On pourra également utiliser des procédés dynamiques permettant de créer des microstructures innovantes par impact, en collaboration avec d’autres partenaires industriels (Nexter, Thiot, et la DGA). Cette opération de recherche fait une utilisation intensive des méthodes de caractérisation à la petite échelle comme la microscopie électronique à la petite échelle et contribuera activement à leur développement avec notamment le développement des méthodes de type ECCi et TKD. La fabrication de matériaux à partir de poudre joue un rôle important dans cette thématique de recherche avec la volonté d’obtenir des matériaux au propriétés spécifiques, par exemple des alliages réfractaires à base de tungstène.
Optimisation des propriétés via un design microstructurale (NiW-W)
Contexte et verrou scientifique : La conception d’alliages métalliques combinant résistante mécanique accrue et ductilité constitue le saint Graal de la métallurgie traditionnelle. La métallurgie des poudres est une solution versatile qui permet de faire cohabiter ces deux propriétés au demeurant antagonistes. La structure consiste en un mélange parfaitement contrôlé de poudre de Ni et de nano W fritté par SPS.
Résultats obtenus : Composition optimale réalisée qui combine résistance mécanique et ductilité. La fragilité de la phase W est compensée par la ductilité de la solution solide Ni(W).
Domaine scientifique et d’application : Matériaux de structures (transports…), revêtements durs
Publications : T. Sadat et al, Materials & Design. Doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.10.083
(C) Microstructure optimisée (NiW) 70-W. Phase map (phase W en vert)
Structures harmoniques: optimisation du compromis résistance mécanique – ductilité
(C) Cartographie EBSD de distribution de taille des grains pour TA6V à structure « harmonique »
Contexte et verrou scientifique : La conception d’alliages métalliques combinant résistante mécanique accrue et ductilité constitue le saint Graal de la métallurgie traditionnelle. Le concept de « structure harmonique » permet de faire cohabiter ces deux propriétés antagonistes. La structure consiste en un squelette à grains ultrafins entourant un cœur à gros grains et s’applique à un large éventail de matériaux.
Résultats obtenus : résistance mécanique élevée sans perte de ductilité en traction comparée à une microstructure conventionnelle. Modification des mécanismes de plasticité (Inhibition de bandes de cisaillement adiabatiques en impact direct haute vitesse dans Ti [1,2]; Inhibition du maclage mécanique dans les alliages Ti-Nb-Zr [3] en sollicitations QS. Des collaborations sont effectuées avec l’opération de recherche CMA – Conception de matériaux architecturés sur cette thématique en vue de simuler numériquement le comportement mécaniques de ce type d’alliages.
Domaine scientifique et d’application : Matériaux de structures; applications aéronautiques et biomédicale
Partenaires académiques et industriels : Ritsumeikan University, Japan, CEMES, Pprime, IJL, Nexter
Publications : [1] Dirras et al., Matériaux & Techniques, 103(3), 311. doi: doi:10.1051/mattech/2015031 ; [2] Ameyama et al. Materials Letters, 2022. doi: https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2057203 ; [3] Dirras et al. Scripta Materialia 138 (2017) 44-47 https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.05.033.
(C) Propriétés mécaniques pure Ti harmonique
Alliages multi-composants à forte entropie: Nouvelles solutions matériaux pour la défense et le bio-medical
Contexte et verrou scientifique : Alors que la population des sociétés modernes vieillit et que les risques de maladies osseuses ou d’accidents osseux ont augmenté, le besoin d’une nouvelle génération de matériaux avec une biocompatibilité supérieure et des propriétés mécaniques adéquates est un défi. Deux concepts métallurgiques innovants (fabrication additive et alliages à forte entropie) sont à maîtriser pour répondre à cet enjeu essentiel de santé publique.
Résultats obtenus : Différentes compositions optimisées et optimisables. Module d’Young 50% plus bas que Ti-6Al-4V. Résistance mécanique de l’ordre du GPa (contrainte max en compression : 2 GPa environ)
Domaine scientifique et d’application : Matériaux de structures (bio-medical, défense)
Partenaires académiques et industriels : Thiot Ingénierie; Nexter Munitions; Z3DLab; ICMPE
Publications : en cours (Thèse A. Mourgout, Thèse J. Gandolfi)
(C) Microstructure optimisée après L-PBF (fusion sur lit de poudre) d’un alliage Ti-Nb-Zr (Ta, Mo) pour bio-omplants. Cartographie IPF (Thèse A. Mourgout)
Optimisation & post-traitements
La thématique se propose d’explorer deux voies de post-traitement sur des matériaux obtenus par méthode conventionnelle ou non conventionnelle (fabrication additive métal), permettant d’optimiser les propriétés d’emploi. Les matériaux principalement concernés sont les alliages de titane. Les recherches envisagées seront centrées sur le développement des procédés de : (i) traitement d’oxydation par plasma micro-ondes. L’objectif est d’améliorer les propriétés tribologiques en proposant des traitements de surface sur métal plus propres et plus efficaces (collaboration inter-axes avec l’OR Interaction Plasma/Surface et micro-plasmas, axe PPANAM) ; (ii) post-traitement par CIC sur pièces élaborées par fabrication additive afin d’en réduire la porosité, les contraintes résiduelles et éventuellement l’anisotropie et d’améliorer la durée de vie des pièces ainsi fabriquées.
