Development of high entropy tungsten-based alloys by powder metallurgy processes
Développement d'alliages à haute entropie base tungstène par des procédés de la métallurgie des poudres
Résumé
Although metallurgy is a very old research domain, many innovations are still being considered, such as the emergence of high-entropy alloys. These alloys, composed of at least three elements, are characterized by a chemical composition without a majority element and most of the time equimolar. Research in this field is very recent since the first studies concerning these alloys are from the early 2000s. The original chemical compositions of these alloys open the way to many possibilities to obtain unusual properties.In conjunction with these developments, powder metallurgy processes are expanding quickly because of the advantages they offer over more traditional techniques (foundry and forging). Spark Plasma Sintering technology is widely used to develop new materials with a fine and controlled microstructure. This technique is characterized by a high heating rate through Joule effect and by its great versatility. Indeed, it allows to shape a large variety of materials and many efforts are currently made to industrialize this process.This technique can be used to reach both high ductility and mechanical strength, mechanical properties highly looked for by the industry.The objective of this thesis is to develop a high entropy alloy composed of refractory metals: tungsten, molybdenum, tantalum and niobium, to achieve high densities. Sintered samples from a mixture of pure metal powders were characterized to study the influence of the microstructure on the properties of the alloy. The effect of the preparation method of these WMoTaNb powders was investigated on sintering and microstructure, highlighting the turbula mixing approach with balls versus mechanical activation with short duration milling and mechanosynthesis with high energy milling. The scale-up highlighted many obstacles to industrialization. As a result, several optimization routes have been developed to bring foreward sintering in the presence of a liquid phase.
Bien que la métallurgie soit très ancienne, de nombreuses innovations sont toujours envisagées, c’est par exemple le cas de l’émergence des alliages à haute entropie. Ces alliages, composés d’au moins trois éléments, se caractérisent par une composition chimique sans élément majoritaire et le plus souvent équimolaire. La recherche dans ce domaine est très récente puisque que les premières études concernant ces alliages datent du début des années 2000. Les compositions chimiques originales de ces alliages ouvrent la voie à de nombreuses possibilités pour obtenir des propriétés inédites.Conjointement à ces développements, les procédés de la métallurgie des poudres sont en pleine expansion du fait des avantages qu’elle offre par rapport aux techniques plus traditionnelles (fonderie et forge). La technologie du frittage Flash ou Spark Plasma Sintering en particulier est très utilisée pour développer de nouveaux matériaux possédant une microstructure fine et contrôlée. Cette technique se caractérise par une vitesse de chauffage élevée par effet Joule et par sa grande versatilité. En effet, elle permet de mettre en forme une grande diversité de matériaux et de nombreux efforts sont actuellement fait pour industrialiser ce procédé. Cette technique a la capacité de produire des pièces possédant à la fois une ductilité et une résistance mécanique élevées, propriétés mécaniques très recherchées par l’industrie.L’objectif de cette thèse est d’élaborer un alliage à haute entropie composé de métaux réfractaires : tungstène, molybdène, tantale et niobium, pour atteindre des masses volumiques élevées. Les pièces frittées par SPS à partir d’un mélange de poudres métalliques pures ont été caractérisées pour étudier l’influence de la microstructure sur les propriétés de l’alliage. L’effet de la méthode de préparation de ces mélanges de poudres WMoTaNb a été étudié sur le frittage et la microstructure, faisant ressortir l’approche du mélangeage par turbula en présence de billes par rapport à une activation mécanique avec un broyage de courte durée et à une mécanosynthèse avec un broyage à haute énergie. Le changement d’échelle a permis de mettre en évidence un certain nombre d’obstacles à l’industrialisation. En conséquence, plusieurs voies d’optimisation ont été développées permettant de mettre en avant le frittage en présence d’une phase liquide.
Origine : Version validée par le jury (STAR)