Hdr Année : 2018

Complex materials produced by powder metallurgy: process-microstructure-property relationships Case of composites and nano-lamellar ternary phases

Matériaux complexes mis en œuvre par métallurgie des poudres : relations procédés-microstructures-propriétés Cas des composites et des phases ternaires nano-lamellaires

Résumé

Mes activités de recherche, toutes orientées dans le domaine de la Science des matériaux, relèvent principalement de l’élaboration et de la caractérisation appliquées à différents types de matériaux : intermétalliques, métaux, céramiques, composites. Les propriétés physico-chimiques visées sont par conséquent variées (résistance à l’oxydation à haute température, propriétés mécaniques, propriétés physiques). Le fil conducteur de mes activités de recherche depuis mes premiers pas en DEA concerne plus particulièrement l’élaboration de matériaux à microstructure contrôlée, et l'étude des propriétés physico-chimiques de ces matériaux en relation avec leur microstructure. Le point commun à la plupart de ces recherches est l’utilisation de divers procédés de métallurgie des poudres pour élaborer des matériaux massifs à microstructure contrôlée, pureté et densité optimisées. Les différents travaux décrits dans ce manuscrit d’Habilitation à Diriger des Recherches relèvent de la relation procédé-microstructures-propriétés appliquée à deux grandes familles de matériaux : les composites à matrice métallique et à renfort particulaire, et les phases ternaires nanolamellaires plus connues sous l’appellation phases MAX. Les procédés d’élaboration utilisés pour produire ces matériaux massifs, à savoir la compression isostatique à chaud et le frittage flash SPS, confèrent à chacune des classes de matériaux étudiés, des caractéristiques microstructurales différentes. Le premier chapitre de ce manuscrit est consacré aux matériaux composites. Les principaux constituants des composites sont une matrice, dont le rôle est complexe, et qui assure la cohésion d'un matériau de renfort dont la mission essentielle est de supporter les efforts mécaniques appliqués. La recherche de renforts performants a été jusqu'à présent essentiellement orientée vers des matériaux céramiques, qui présentent certes des propriétés mécaniques remarquables, mais également des inconvénients majeurs : faible cohésion interface renfort-matrice, fabrication délicate, prix de revient élevé, recyclage onéreux voire impossible. Dans le cadre de cette étude seront élaborés des composites à matrice aluminium renforcée par des particules d’alliage intermétallique Al-Cu-Fe. Si l'intérêt d'utiliser des particules Al-Cu-Fe pour obtenir un renforcement efficace est indéniable, les propriétés associées ne sont encore que trop partiellement connues. L’objectif premier est donc d’élaborer des composites à matrice aluminium renforcée par des particules Al-Cu- Fe, en utilisant deux procédés de métallurgie des poudres différents. L’objectif ultime étant de caractériser les propriétés mécaniques de ces multi-matériaux en relation avec leur microstructure, par des essais de compression en température. Ainsi, une caractérisation microstructurale complète avant et après déformation a été menée afin d’identifier les paramètres pertinents à la compréhension des mécanismes de déformation. Le second chapitre de ce manuscrit est dédié aux phases nano-lamellaires dénommées phases MAX. Ces phases sont des carbures ou des nitrures ternaires de formule Mn+1AXn, où M est un métal de transition, A un élément du groupe A de la classification périodique, et X le carbone ou l’azote. L’alternance d’octaèdres de céramiques [M6X] et de plans métalliques d’éléments du groupe A confère à ces matériaux nano-lamellaires des propriétés spécifiques caractéristiques des céramiques et des métaux. Ces travaux démontrent dans un premier temps la potentialité d’élaborer, par métallurgie des poudres, de nombreux carbures ternaires (Ti3SiC2, Ti2AlC, Ti3AlC2, Cr2AlC, Ti3SnC2…). Des phases MAX à microstructure contrôlée, pureté et densité optimisées, seront ensuite produites pour étudier les propriétés physico-chimiques intrinsèques de cette classe de matériaux. Dans le cadre de ce travail, je me focaliserai sur la phase MAX Ti3AlC2 afin d’en étudier les propriétés mécaniques à l’ambiante et les mécanismes de déformation associés. Afin de se rapprocher des problématiques environnementales actuelles, les travaux relatifs à la phase MAX Ti3AlC2 seront poursuivis en étudiant plus particulièrement quelles sont ses potentialités à remplacer les matériaux de structure habituellement utilisés dans le domaine de l’aéronautique. Dans cette étude, les paramètres d’élaboration seront reliés aux caractéristiques microstructurales obtenues afin de déterminer l’influence de la microstructure sur la tenue en oxydation et dans une moindre mesure, sur les propriétés mécaniques en fluage à haute température du matériau. Des solutions solides de phases MAX ont également été élaborées par métallurgie des poudres afin d’étudier, entre autres, l’influence du taux de substitution sur les sites M, A, ou X, sur les propriétés physiques intrinsèques ; ceci afin de pouvoir élaborer des solutions solides de composition chimique variable dans le but de moduler leurs propriétés physiques. Dans ce manuscrit, et suite à la découverte de la phase MAX Ti3SnC2 à l’Institut Pprime, j’étudierai l’influence du taux de substitution sur le site A de la solution solide Ti3AlxSn(1-x)C2 sur les propriétés mécaniques (nanoindentation) à l’ambiante.

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Dates et versions

tel-05358210 , version 1 (10-11-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-05358210 , version 1

Citer

Véronique Gauthier-Brunet. Matériaux complexes mis en œuvre par métallurgie des poudres : relations procédés-microstructures-propriétés Cas des composites et des phases ternaires nano-lamellaires. Physique [physics]. Université de poitiers, 2018. ⟨tel-05358210⟩
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