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Article de référence | Réf : RE269 v1

Composition, structure et microstructure
Alliages multi-composants à haute entropie - Concepts, microstructures et propriétés mécaniques

Auteur(s) : Mathilde LAURENT-BROCQ, Jean-Philippe COUZINIÉ

Relu et validé le 25 nov. 2020

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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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ABSTRACT

High entropy multi-component alloys - Concepts, microstructures and mechanical properties

High-entropy multi-component alloys derive from an innovative concept. These alloys represent a real breakthrough in metallurgy as they consist of several major concentrated elements. With a significant number of possible stable compositions, multi-component materials offer a vast microstructural diversity and also promising mechanical properties such as strength or toughness. This article deals with this new class of alloys and describes the underlying metallurgical and thermodynamic approach, together with the preparation processes, associated microstructures and mechanical properties. Industrial perspectives are also addressed.

Auteur(s)

  • Mathilde LAURENT-BROCQ : Chargée de recherche au CNRS - Université Paris Est, ICMPE (UMR 7182), CNRS, UPEC, Thiais, France

  • 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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KEYWORDS

mechanical properties   |   thermodynamic   |   metallic alloy design   |   strengthening

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re269

CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :

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3. Composition, structure et microstructure

3.1 Compositions les plus étudiées et leur microstructure

Les AHE monophasés les plus étudiés expérimentalement peuvent être classés en deux grandes familles (tableau 1) :

  • ceux composés de métaux de transition formant une solution solide cubique à faces centrées (cfc) ;

  • ceux composés de métaux réfractaires formant une solution solide cubique centrée (cc).

Chacune de ses familles comporte des alliages quaternaires et quinaires, équimolaires ou non. La liste proposée dans le tableau 1 recense des compositions qui ont été élaborées, de telle sorte que l’état stable a été atteint, et caractérisées de manière approfondie. Cette liste n’est pas exhaustive. En effet, il a été montré pour le système Co-Cr-Fe-Mn-Ni que de très nombreuses compositions permettent de former une unique solution solide cfc (§ 2.2). Il en est probablement de même pour la famille des AHE composés de métaux réfractaires. De plus, seule une faible proportion des systèmes possibles pour les alliages multi-composants a été expérimentalement explorée. D’autres familles d’AHE seront donc probablement découvertes à l’avenir. Ainsi, l’alliage DyGdHoTbY forme une unique solution solide hexagonale compacte . Les AHE multiphasés sont issus des deux grandes familles d’AHE monophasés.

...

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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...

1 Evènements

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).

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2 Annuaire

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2.1 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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