Development and thermomechanical study of a High Temperature and High Entropy Shape Memory Alloy
Élaboration et étude thermomécanique d'un Alliage à Mémoire de Forme Haute Température et à Haute entropie
Résumé
Conventional metal alloys are made up of a majority element, such as copper, iron, or nickel, associated with other elements present in smaller quantities. In 2004, Cantor et al. produced an alloy composed of 5 elements with an equiatomic distribution. These high entropy alloys (HEAs) are of growing interest for applications in extreme environments thanks to their good behavior at high temperatures and their high chemical stability. On the other hand, high-temperature shape memory alloys (HT-SMAs) are subject to a short lifetime due to phase precipitation at grain boundaries above 200°C. In this thesis, alloys combining the high temperature strength of HEAs and the high temperature shape memory effect (HT SMAs) have been developed in cold crucible and have been thoroughly investigated in terms of microstructure, metallurgical state and thermomechanical responses. The study of these new materials with high entropy and containing high melting point metals has obliged us to adapt our means of heat treatment and related analysis. The activation temperatures of these alloys as well as the phases present have been identified by coupling temperature bending tests. The lifetime of these new HE&HT-SMAs has been tested in stress bending and temperature fatigue tests. The behavior of the new AHEs is also compared to the behavior of the usual AMFs, in particular the binary alloys NiTi and TiNb. The microstructural evolutions at the origin of the high entropy optimization have been studied by X-ray diffraction, optical and electronic microscopy, DSC and mechanical tests. This work concludes with a study of the Ms temperature estimation for HE-SMAs as a function of the chemical composition of the alloy. The proposed equation is based on the study of the compositions of HE-SMAs from the scientific literature and the alloys produced for this thesis work.
Les alliages métalliques conventionnels sont constitués d'un élément majoritaire, comme le cuivre, le fer, ou le nickel, associé à d'autres éléments présents en plus faible quantité. En 2004, Cantor et al. réalisent un alliage composé de 5 éléments dont la répartition est équiatomique. Ces alliages à haute entropie (AHEs) suscitent un intérêt croissant pour les applications en conditions extrêmes grâce à leur bon comportement à haute température et leur grande stabilité chimique. Par ailleurs, les alliages à mémoire de forme à haute température (HT-AMFs) sont sujets à une faible durée de vie liée à la précipitation de phase aux joints de grains au-dessus de 200°C. Dans le cadre de cette thèse, des alliages combinant la résistance à haute température des AHEs et l’effet mémoire de forme à haute température (HT-AMFs) ont été élaborés en creuset froid et ont fait l’objet d’une caractérisation approfondie sur le plan microstructural et thermomécanique. Les moyens de traitements thermiques et d’analyses associés ont dû être adaptés à l’étude de ces nouveaux matériaux à haute entropie et contenant des métaux à haut point de fusion. Les températures d’activations de ces alliages ainsi que les phases en présences ont été identifiées en couplant des essais des flexions en température. La durée de vie de ces nouveaux HE&HT-AMFs a été éprouvée lors d’essais de fatigue en flexion sous contrainte et en température. Le comportement des nouveaux AHEs est aussi comparé aux comportements des AMFs usuels, notamment les alliages binaires NiTi et TiNb. Les évolutions microstructurales à l’origine de l’optimisation de la haute entropie ont été étudiées par diffractions des rayons X, microscopie optique et électronique, DSC et essais mécaniques. Ce travail se conclue par une étude visant l’estimation de la température Ms pour les HE-AMFs en fonction de la composition chimique de l’alliage. L’équation proposée est issue de l’étude des compositions de HE-A MFs de la littérature scientifique et des alliages produits pour ces travaux de thèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)