Aciers austénitiques à haute limite d'élasticité pour le nucléaire : conception numérique et étude expérimentale // High yield strength austenitic steels for nuclear applications: numerical design and experimental study

La thèse concerne les aciers de boulonnerie obtenus par nitruration contrôlée de poudres ultérieurement densifiées par Compression Isostatique à Chaud [Rigal]. Elle couvre à la fois le volet numérique et le volet expérimental. Néanmoins, au démarrage de la thèse, les équipes du CEA/Saclay auront entamé la démarche de conception d'alliage.

Partie 1 : Conception
Le(la) doctorant(e) devra assimiler ces premiers développements pour aboutir au choix de nuances prometteuses (1 à 3). Ce choix sera notamment guidé par une analyse des caractéristiques de la solution actuelle de référence, l'alliage A286. La première étape sera la définition des critères de design en fonction du cahier des charges (propriétés visées) et les modèles correspondants :
- modèles mis en équation simplement : coût des éléments d'alliages, densité… on peut aussi trouver des modèles de «métallurgie physique» pour certaines propriétés [Reed]
- prédictions issues de logiciels de thermodynamique prédictive par l'approche CALPHAD,
- modèles issus de fouille de données, où on opère des régressions à partir de bases de données regroupant la composition et les caractéristiques de nombreux alliages différents.
L'étape 2 consistera à réaliser des calculs massifs de type CALPHAD sur le système Fe-Cr-Ni-Mo-C-N au sein de l'étape d'optimisation multicritère, qui pourra faire appel à des algorithmes d'optimisation. L'étape 3 sera la sélection de compositions. Cette partie de conception intégrera aussi une modélisation de l'étape de nitruration des poudres.

Partie 2 : Elaboration
L'élaboration des poudres sera sous–traitée. Leur comportement en nitruration (cinétique selon la température) sera étudié à l'aide d'une thermobalance (analyse thermogravimétrique). La caractérisation des poudres nitrurées (composition, phases formées…) permettra de choisir des conditions opératoires qui seront appliquées à la nitruration en four de conteneurs remplis de poudres et destinés à être densifiés par CIC (Compression Isostatique à Chaud) [Traversier1]. On étudiera l'effet des conditions de CIC (cycle de pression et température) et des éventuels traitements thermomécaniques ultérieurs sur les matériaux obtenus. L'objectif à la fin de cette partie est de disposer d'un matériau suffisamment prometteur.

Partie 3 : Caractérisation
La poudre retenue sera utilisée pour fabriquer du matériau nitruré en quantité suffisante pour le caractériser finement d'un point de vue morphologique, chimique et structural, et pour réaliser les évaluations des propriétés pertinentes vis-à-vis de l'application boulonnerie :
- propriétés mécaniques (limite d'élasticité, tenue à la fatigue, relaxation…) et mécanismes de déformation associés [Traversier2],
- résistance à la corrosion.
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The thesis concerns bolting steels obtained by controlled nitriding of powders subsequently densified by Hot Isostatic Compression [Rigal]. It covers both numerical and experimental aspects. However, at the start of the thesis, the CEA/Saclay teams will have begun the alloy design process.

Part 1: Design
The PhD student will have to assimilate these initial developments to arrive at a choice of promising grades (1 to 3). This choice will be guided in particular by an analysis of the characteristics of the current reference solution, alloy A286. The first step will be to define the design criteria according to the specifications (target properties) and the corresponding models:
- simply equated models: cost of alloying elements, density... “physical metallurgy” models can also be found for certain properties [Reed]
- predictions from predictive thermodynamics software using the CALPHAD approach,
- models from data mining, where regressions are run on databases grouping the composition and characteristics of many different alloys.

Part 2: Synthesis
Powder elaboration will be subcontracted. Their nitriding behavior (temperature-dependent kinetics) will be studied using a thermobalance (thermogravimetric analysis). Characterization of the nitrided powders (composition, phases formed, etc.) will enable us to select the operating conditions to be applied to furnace nitriding of containers filled with powders and intended for densification by CIC (Hot Isostatic Compression). The effect of CIC conditions (pressure and temperature cycle) and of any subsequent thermomechanical treatments on the materials obtained will be studied. The aim at the end of this part is to have a sufficiently promising material.

Part 3: Characterization
The powder selected will be used to manufacture nitrided material in sufficient quantity to characterize it finely from a morphological, chemical and structural point of view, and to carry out assessments of properties relevant to the bolting application:
- mechanical properties (yield strength, fatigue strength, relaxation, etc.) and associated deformation mechanisms,
- corrosion resistance.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

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