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Produits (conception, procédés et matériaux) (DS0303) 2014
Projet HighS-Ti

Microstructures Harmoniques à Hautes Résistances Mécaniques base Titane. Elaboration et Propriétés

La plupart des matériaux de structure sont des alliages métalliques, souvent multi-élémentaires. Ceci est le cas pour certains aciers ou les alliages de titane dont les éléments d'alliage sont rares et/ou disponibles en faibles concentrations dans la croûte terrestre et parfois difficiles à affiner. En effet, le nombre d'éléments utilisables déjà très faible est encore restreint par les risques de toxicité.

Il semble donc urgent de développer de nouvelles méthodologies qui permettront d'utiliser plus efficacement les éléments disponibles afin de concevoir et réaliser de nouveaux matériaux de structure à partir de l’existant, pour éviter que le progrès ne devienne un fardeau pour la nature et l’environnement. Une telle démarche n’est valable que si les matériaux ainsi conçus possèdent des caractéristiques mécaniques supérieures et des performances fiables.

Dans le cadre de la présente proposition, grâce à la versatilité de technologies basée sur la métallurgie des poudres comme par exemple le frittage flash (SPS) et le pressage isostatique à chaud (HIP), un nouveau concept combinant déformation plastique sévère (par broyage contrôlé et superficiel des particules de poudres micrométriques) et procédés de frittage (SPS et HIP) sera utilisé pour concevoir et développer des microstructures dite harmoniques.

La structure harmonique obtenue après frittage/consolidation de la poudre déformée sera constituée d’un réseau 3D continu, le squelette, à grains ultrafins entourant un cœur constitué de gros grains. Cela les rend uniques par rapport aux microstructures bimodales hétérogènes "nano-micro" habituellement produites par diverses voies métallurgiques.

Les matériaux envisagés ici sont le titane pur (Ti), Ti-6-4 (Ti6Al4V) et un ß-Ti (Ti15V3Cr3Sn3Al) en raison de leur importance technologique. Après élaboration, une combinaison de techniques avancées de caractérisation à la fois macroscopique (essais quasi-statiques et d’impact) et « méso/micro » (traction in situ sous DRX, traction in situ sous MET) sera menée pour étudier finement les mécanismes élémentaires de déformation et fournir les paramètres d'entrée nécessaires pour les modèles prédictifs de ces structures harmoniques complexes. En effet, les simulations numériques et la modélisation mécanique seront mises en ouvre. En l’occurrence, elles simuleront l’endommagement qui pourrait résulter des incompatibilités de déformation entre le squelette à grains ultrafins et le cœur. Les modèles aideront à comprendre les paramètres critiques et à optimiser les conditions d'élaboration des microstructures.

En plus de la compréhension et de la prédiction du comportement mécanique macroscopique, nous comptons répondre aux questions suivantes (liste non exhaustive):
• Les matériaux à microstructures harmoniques possèdent-ils de meilleures propriétés mécaniques comparées aux mêmes matériaux ayant des microstructures plus classiques et/ou bimodales ?
• Les microstructures harmoniques de Ti pur possèdent-elles des propriétés meilleures que celles du Ti allié (Ti-6-4 ou ß-Ti) conventionnel?
• les propriétés de haute résistance et de haute ductilité permettront-elles de réaliser des pièces de structure légères et compactes avec une fiabilité meilleure ?

Si la réponse est oui, alors nous pourrons préserver non seulement les éléments d’addition rares mais aussi diminuer les coûts associés aux traitements thermomécaniques et à l'usinage. Cela contribuera à un certain niveau à:
• économiser les ressources et l'énergie
• réduire les émissions de CO2
• améliorer la recyclabilité
• Découvrir de nouvelles applications et fournir à la société le fruit des travaux de recherche.

Les connaissances qui résulteront de ce projet seront de nature à participer aux initiatives récentes prises au niveau national pour un renouvellement de la métallurgie, tant du point de vue de la recherche fondamentale, du transfert de technologie que de celui de la formation des jeunes scientifiques de tous niveaux.

Partenaires

CEMES Centre d'Elaboration de Microstructures et d'Etude Structural

IJL CNRS DR CENTRE- EST

Pprime Institut Pprime

LSPM Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux

LSPM (CNRS DR PV) Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux

RITS Ritsumeikan University

Aide de l'ANR 469 299 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 36 mois

 

Programme ANR : Produits (conception, procédés et matériaux) (DS0303) 2014

Référence projet : ANR-14-CE07-0003

Coordinateur du projet :
Monsieur Guy DIRRAS (Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux)

 

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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.