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L’émergence des alliages à haute entropie par projection thermique

L’émergence des alliages à haute entropie par projection thermique

Les alliages à haute entropie (HEA) ont suscité un grand intérêt. Ce sont des alliages multi-composants avec plus de cinq éléments constitutifs dans des proportions équiatomiques ou quasi-équiatomiques (pourcentage atomique de 5 à 35%). Les quatre effets de haute entropie, de diffusion lente, de distorsion du réseau et d’effets cocktail, les rendent différents des alliages conventionnels. Cela se traduit par la création de HEAs qui surpassent les matériaux standard en termes de résistance à l’usure, à l’oxydation et à la corrosion, ainsi que de propriétés mécaniques.

Ces propriétés découlent principalement de leur capacité à former des solutions solides simples, de préférence avec une structure cubique centrée (bcc) ou cubique à faces centrées (fcc), ce qui entraîne une stabilisation de la phase de solution solide à des températures élevées. Les HEA à structure cubique à faces centrées (fcc) présentent généralement non seulement une ductilité élevée, mais aussi une résistance et une dureté relativement faibles. Malgré leur composition complexe, la formation de phases complexes et fragiles peut être inhibée. Le principe de base des HEA est que les phases de solution solide sont stabilisées par leur entropie de mélange significativement élevée par rapport aux composés intermétalliques, en particulier à haute température. Cela permet de les synthétiser et de les manipuler pour obtenir des compositions de propriétés requises pour une couche de liaison métallique, ou par exemple une dureté et une résistance élevées tout en ayant une ductilité élevée. Ces caractéristiques rendent ces alliages prometteurs pour des applications structurelles. Ces propriétés permettent alors aux HEA d’être utilisables pour des applications comme revêtement, où les quantités requises de ces matériaux peuvent être considérablement réduites en les limitant à la surface.

Les revêtements déposés par projection thermique, tel que l’HVOF, ont toujours été utilisés dans des environnements difficiles pour améliorer la résistance à la corrosion et à l’usure du substrat. Des revêtements HEA ont été produits en utilisant divers procédés (plasma, HVOF, HVAF, Cold Spray). Les meilleurs résultats en termes d’homogénéité et de réduction des défauts ont été obtenus par les procédés de projection thermique à haute énergie cinétique. L’un de ces procédés, bien établi dans l’industrie, est la projection HVOF, qui permet de déposer des revêtements à faible porosité et à faible teneur en oxydes. Un autre perfectionnement de ce procédé est la projection thermique d’air à grande vitesse (HVAF), où la température de combustion est réduite en utilisant de l’air à la place de l’oxygène pour la combustion du combustible. De cette façon, la formation d’oxydes et la dégradation thermique de la matière première, par exemple les métaux ou les carbures cémentés, peuvent être évitées. Certains revêtements déposés par projection thermique présentent la même phase primaire que les alliages coulés, mais les intensités des spectres rayons X des revêtements sont beaucoup plus faibles que celles des alliages coulés. Le traitement thermique à des températures élevées, jusqu’à 1100 °C, entraîne une augmentation de la dureté plus proche des valeurs à l’état brut de coulée.

Un des alliages qui présente un certain intérêt est le CrMnFeCoNi et son dérivé sans manganèse, le CrFeCoNi, tous deux formant des structures fcc. L’ajout d’aluminium affecte clairement la formation des phases, la microstructure et les propriétés. Pour l’alliage équimolaire AlCrFeCoNi, une structure bcc monophasée est formée à l’état brut de coulée, qui peut apparaitre aussi de façon désordonnée. D’autres voies de production et traitements thermiques ont révélé la formation d’autres phase telle σ fcc et tétragonale en fonction des conditions de fabrication. Bien évidemment, les phases en présence issues des différents procédés / traitements thermiques influence directement les propriétés du matériau. Parmi tous les éléments, la plupart des recherches se sont concentrées sur les éléments de transition (Ni, Co, Cr, Fe, Cu, Al, etc.) ; cependant, les éléments réfractaires, à savoir Ta, Nb, Mo, Hf, W, V, ont également été rapportés dans la littérature (TiNbZrMo, FeCoCrNiNb). L’addition d’éléments non réfractaires comme Ti, Al, Mn, et Fe avec des éléments de transition a amélioré les propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion ainsi que la densité des alliages (AlCoCrFeNiTi). De même, plusieurs combinaisons de HEA réfractaires et de transition (HfMoTaTiZr, TiNbTaZrMo, etc.) ont été testés. L’influence distincte de la fraction de phase (bcc et fcc), de la taille de grain et de la densité de dislocation sur la résistance aux piqûres a été mise en avant. Les éléments tels que Ti, Nb et Mo amélioraient la résistance à la corrosion du revêtement HEA en le renforçant pour obtenir une solution solide stable.

Les procédés de projection thermique les plus courants pour produire des revêtements HEA sont l’HVOF et l’APS. Pour le développement des HEA, l’approche de la projection à froid a été récemment introduite. Bien que le domaine d’application principal soit la performance à haute température, l’un des intérêts majeurs de la recherche est la matière première HEA qui contient du Ti, Si, et/ou Al, avec la base CrFeCoNi. En raison de leur microstructure, les revêtements HEA HVOF ont une dureté maximale. Cependant, la résistance à l’usure et la dureté étaient généralement plus élevées dans les matériaux traditionnels en raison de la phase multi-composants sursaturée ainsi que du développement d’autres processus de renforcement. Les revêtements HEA se sont révélés prometteurs dans le remplacement des matériaux traditionnels de couche de liaison en raison de leur excellente résistance à l’oxydation.

 

 

 

 

 

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