Les alliages à haute entropie (HEA) appartiennent à une nouvelle classe de matériaux métalliques dans lesquels des propriétés exceptionnelles sont attendues du fait de leur structure cristallographique contenant plusieurs éléments chimiques en proportions élevées [1]. Dans l’industrie du nucléaire, ces alliages sont envisagés pour toutes les générations de réacteurs. Dans les réacteurs à eau pressurisée de génération 2 actuels, ils remplaceraient certains internes du circuit primaire en acier inoxydable austénitique (316) ou en Inconel 718, superalliage base nickel durci par précipitation de phases intermétalliques. Dans les futurs réacteurs à fission de génération 4, ils sont envisagés pour l’échangeur de chaleur des réacteurs à sel fondu de type MSR (Molten Salt reactor). Pour les futurs réacteurs à fusion, ils seraient utilisés en substitution aux alliages ferrito/martensitiques.

L'HEA à structure cubique à faces centrées (CFC) le plus étudié est l'alliage de Cantor (alliage équiatomique CoCrFeMnNi), mais la présence de cobalt, qui s’active fortement, l’exclut des applications nucléaires. Dans le cadre d’une collaboration entre les mines de Saint Etienne, Aperam et EDF, des alliages à haute entropie FeMnNiCr sans cobalt ont été développés. Ces alliages ont été irradiés à 550°C au sein de la plateforme JANNuS Saclay à 0.2 et 2 dpa. Après irradiation à 0.2 dpa, des défauts sous la forme de boucles de dislocation sont présents [2]. Ils sont visibles par microscopie électronique en transmission (MET) (Figure ci-dessous). A plus forte dose, des précipités se sont formés [3].

L’objectif du stage sera d’étudier à la fois les boucles de dislocation formées à faible dose mais également les précipités apparus à plus forte dose. Pour cela, les alliages seront analysés à l’aide de techniques de nano-caractérisation de pointe accessibles au département. Dans un premier temps, les échantillons seront nano-usinés à l’aide d’un faisceau d’ions focalisé (FIB). Puis les boucles de dislocations seront analysées par MET conventionnel (FEI Tecnai), tandis que les nano-précipités seront analysés à l’aide d’un MET doublement corrigé de l’aberration de sphéricité (Jeol ARM 200-F). L’évolution des propriétés mécaniques des matériaux sera également étudiée à l’aide d’essais de nano indentation.

L’étude sera encadrée par Estelle Meslin (estelle.meslin@cea.fr), spécialiste de MET et de l’étude des défauts d’irradiation. Le stage pourra être poursuivi par une thèse dans le même service dans lequel la résistance à l’irradiation des HEA sera comparée à celle de nuances industrielles (acier austénitique 316 et Inconel 718) ainsi qu’à des nuances « simplifiées » (Ni pur, FeNi, NiCr, FeNiCr).

Master 2 ou 3ème année d’école d’ingénieur en Science des Matériaux