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RÉSUMÉ
Issus d’un concept métallurgique innovant, les alliages à haute entropie représentent une classe de matériaux en rupture constitués de plusieurs éléments majoritaires concentrés. Grâce à un grand nombre de compositions possibles stables, ces alliages sont d’une grande richesse microstructurale leur conférant des propriétés mécaniques prometteuses voire exceptionnelles (résistance et ténacité). Cet article fait le point sur ces alliages en s’attachant à décrire l’approche métallurgique et thermodynamique sous-jacente au concept, les procédés d’élaboration et les microstructures associées ainsi que les propriétés mécaniques obtenues. Les perspectives industrielles seront également abordées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Mathilde LAURENT-BROCQ : Chargée de recherche au CNRS - Université Paris Est, ICMPE (UMR 7182), CNRS, UPEC, Thiais, France
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Jean-Philippe COUZINIÉ : Maître de conférences à l’Université Paris-Est - Université Paris Est, ICMPE (UMR 7182), CNRS, UPEC, Thiais, France
INTRODUCTION
En métallurgie, la stratégie conventionnelle de développement d’alliages consiste à sélectionner un élément majoritaire, pour répondre à la contrainte principale du cahier des charges, puis à ajouter des éléments minoritaires, parfois en nombre important, pour ajuster les propriétés secondaires. Les grandes catégories d’alliages métalliques aujourd’hui utilisées dans le monde industriel sont les aciers, c’est-à-dire des alliages dont l’élément principal est le fer, les super-alliages, dont l’élément principal est le nickel, et aussi les alliages base aluminium, base titane ou encore base cuivre. Au cours des dernières décennies, l’ajustement des compositions et le contrôle de la microstructure ont permis une évolution spectaculaire de la diversité et des performances de ces matériaux. Néanmoins, cette approche semble atteindre ses limites. Or, il existe encore des domaines dans les cartes de propriétés qui ne sont occupés par aucun matériau, en particulier pour certaines combinaisons de propriétés, telles que résistance mécanique et ductilité. Pour obtenir des gains significatifs en termes de propriétés et ainsi combler les vides de l’espace des propriétés, il apparaît nécessaire de développer de nouveaux concepts matériaux. Les recherches menées sur les alliages à haute entropie depuis 2004 s’inscrivent dans cette démarche. L’objectif de cet article est de synthétiser les principales connaissances déjà établies sur les alliages à haute entropie (AHE), mais aussi de souligner les questions qui restent ouvertes. Pour cela, cet article s’articule en six paragraphes qui décrivent : (1) la découverte des alliages à haute entropie et les définitions qui en découlent, (2) les outils thermodynamiques utilisés pour décrire la stabilité des AHE, (3) les principales compositions chimiques des AHE et les spécificités en termes de structure et microstructure, (4) les méthodes d’élaboration déjà mises en œuvre, (5) les propriétés mécaniques et les mécanismes qui permettent de comprendre ces propriétés, (6) les perspectives en terme d’applications et de recherche.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés et un tableau de symboles et de sigles.
Points clés
Domaine : Métallurgie et conception de nouveaux alliages
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Procédés d’élaboration, microscopies électroniques, essais mécaniques
Domaines d’application : Matériaux de structure pour la production d’énergie, le transport …
Principaux acteurs français :
Institut de Chimie et des Matériaux de Paris-Est, Université Paris Est, ICMPE (UMR 7182), CNRS, UPEC, 2-8 rue Henri Dunant, F-94320 Thiais France
Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, LSPM (UPR 3407) CNRS, 99 avenue JB Clément, 93430 Villetaneuse, France
Autres acteurs dans le monde :
Materials Research Department and Center for Interface Dominated Materials (ZGH), Ruhr-University D-44801 Bochum, Allemagne
Materials Science and Technology Division, Oak Ridge National Laboratory, P.O. Box 2008, Oak Ridge, TN 37831, États-Unis
Department of Materials Science and Engineering, National Tsing Hua University, No. 101, Section 2, Kuang-Fu Road, Hsinchu, Taiwan 30013, Republique de Chine
Contact : [email protected] et [email protected]
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2. Thermodynamique des alliages à haute entropie
2.1 Premières approches et leurs limites
Dans les travaux fondateurs de Yeh et al. , il est proposé que les solutions solides multi-composants sont stabilisées par leur entropie de configuration élevée. D’après la définition de Boltzmann, on peut calculer ainsi la variation d’entropie de configuration par mole ΔS conf, lors de la formation d’une solution solide composée de n éléments :
avec :
- ci :
- concentration de l’élément i,
- R :
- constante des gaz parfaits.
L’entropie de configuration augmente avec le nombre d’éléments et pour des compositions se rapprochant des proportions équimolaires (figure 2), ce qui est a priori favorable à la stabilisation de la solution solide. En effet, une phase est...
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Thermodynamique des alliages à haute entropie
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZHANG (Y.), ZHOU (Y.J.), LIN (J.P.), CHEN (G.L.), LIAW (P.K.) - Solid-solution phase formation rules for multi-component alloys. - Advanced Engineering Materials, 10 (6) : p. 534-538 (2008).
-
(2) - CANTOR (B.), CHANG (I.T.H.), KNIGHT (P.), VINCENT (A.J.B.) - Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. - Materials Science and Engineering : A, 375-377 : p. 213-218 (2004).
-
(3) - CANTOR (B.) - Stable and metastable multi-component alloys. - Annales de chimie – Science des matériaux, 32 (3) : p. 245-256 (2007).
-
(4) - YEH (J.W.), CHEN (S.K.), LIN (S.J.), GAN (J.Y.), CHIN (T.S.), SHUN (T.T.), TSAU (C.H.), CHANG (S.Y.) - Nanostructured high-entropy alloys with multiple principal elements : Novel alloy design concepts and outcomes. - Advanced Engineering Materials, 6 (5) : p. 299-303 (2004).
-
(5) - PICKERING (E.J.), JONES (N.G.) - High-entropy alloys : a critical assessment of their founding principles and future prospects. - International Materials...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Conférence internationale : ICHEM (International Conference on High Entropy Materials). Première conférence en novembre 2016, à Taïwan.
Symposiums dans des conférences internationales annuelles : TMS (The Minerals, Metals and Materials Society) meeting annuel ; Euromat (Congrès européen sur les matériaux avancés).
HAUT DE PAGE2.1 Laboratoires académiques et centres de recherche français (liste non exhaustive)
Institut de Chimie et des Matériaux de Paris-Est, Université Paris Est, ICMPE (UMR 7182), CNRS, UPEC, 2-8, rue Henri-Dunant, F-94320 Thiais, France.
Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, LSPM (UPR 3407) CNRS, 99, avenue JB Clément, 93430 Villetaneuse, France.
Laboratoire Georges Friedel, École des Mines de Saint-Étienne, Centre SMS, Laboratoire LGF UMR 5307, 158 cours Fauriel, F-42023 Saint-Étienne, France.
Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB, UPR 9048, 87 Avenue du Docteur Schweitzer, 33600 Pessac, France.
Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille, Université Aix-Marseille, CNRS, CINaM...
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