Y,Ti,O - CSNSM

Doctoral school PHENIICS
PhD proposal 2015
Laboratory: CSNSM, Univ Paris-Sud and CNRS/IN2P3, Orsay (Condensed
Matter and Irradiation Team http://www.csnsm.in2p3.fr/Nanostructures) and
LA2M, CEA/DEN/DMN/SRMA, Saclay
Title:
Understanding the first formation stages of (Y,Ti,O) nano-precipitates
in ODS (Oxide Dispersed Strengthened) steels
Overview of the research:
The presence of high densities of nanoparticles is known to significantly improve the
mechanical properties of steels. ODS (Oxide Dispersed Strengthened) steels, which are
reinforced with metal dispersions of nano-oxides (based on Y, Ti and O elements), are
promising materials for future nuclear reactors.
Their fabrication, currently based on a co-grinding of powders and thermomechanical
treatments, is not fully optimized. The detailed understanding of the mechanisms involved in
the precipitation of these nano-oxides would improve manufacturing and mechanical
properties of these ODS steels, with a strong economic impact for their industrialization. The
objective of this project is to study experimentally the mechanisms involved in the
precipitation of nano-oxide dispersed in ODS alloys. An analytical approach by ion
implantation is used, to control various parameters of synthesis of these precipitates as the
temperature and concentration. The experimental results will be used to validate numerical
models.
Details of the project:
This project follows the thesis of Ce Zheng (Doctoral School MIPEGE, Université ParisSud, 2012-2015), which demonstrated the feasibility of this method [1] and studied the
behaviour of alloys models (based on aluminium oxide) under thermal annealing. High
purity Fe-10Cr alloys were implanted with Al and O ions at room temperature. Transmission
electron microscopy observations showed that the nano-oxides appear in the Fe-10Cr matrix
upon ion implantation at room temperature without subsequent annealing. The mobility of
implanted elements is caused by the defects created during ion implantation, allowing the
nucleation of these nanoparticles, of a few nm in diameter. These nanoparticles are
composed of aluminium and oxygen, and also chromium. The high-resolution experiments
show that their crystallographic structure is that of a non-equilibrium compound of
aluminium oxide (γ-Al2O3 type). The heat treatment performed after implantation induces
the growth of the nano-sized oxides, and a phase change that tends to balance to the
equilibrium structure (α-Al2O3 type).
These results on model alloys are fully applicable to industrial materials: indeed ion
implantation reproduces the conditions of milling and heat treatments are at equivalent
temperatures to those of thermo-mechanical treatments. Thus recent studies of industrial
materials (Y, Ti, O based) show the same results as ours, namely an appearance of nanooxides from the grinding phase [2, 3]. It is also shown that these are nano-oxides of nonequilibrium structure [4], and undergo a phase change during the thermomechanical
treatment. [5]
The aim of the thesis we propose is to study the system (Y, Ti, O) in order to understand the
appearance of these nano-particles during grinding. With the same experimental approach as
Ce Zheng’s thesis, we propose to use ion implantation as a tool for these nano-oxides
synthesis, to precisely control the parameters of their formation, such as temperature and
concentration. These nano-precipitates will be characterized in detail by transmission
electron microscopy and atom probe tomography, and the results will be compared with
numerical simulations. The tight coupling between experimental and modelling studies will
help to understand the mechanisms involved in the precipitation of nano-oxide dispersed in
ODS alloys.
[1] C. Zheng et al, Phil. Mag. 94 (2014) 2937-2955
[2] Thèse de Marie Loyer-Prost, CEA/DEN/DMN/SRMP, 2014
[3] C.A. Williams et al., Acta Mater. 61 (2013) 2219-2235
[4] J. Ribis et al., submitted to Nucl. Instrum. Method. B (2014)
[5] J. Ribis, to be submitted.
Contact:
Aurélie Gentils (CSNSM) 01 69 15 52 04, [email protected]
and Joël Ribis (CEA) 01 69 08 85 09, [email protected]
Ecole Doctorale PHENIICS
Sujet de thèse 2015
Laboratoire : CSNSM, Univ Paris-Sud et CNRS/IN2P3, Orsay (Equipe
Matière Condensée et Irradiation http://www.csnsm.in2p3.fr/Nanostructures) et
LA2M, CEA/DEN/DMN/SRMA, Saclay
Titre :
Compréhension des premiers stades de formation des nano-précipités
(Y, Ti, O) dans les aciers ODS (Oxide Dispersed Strengthened)
Résumé :
La présence de fortes densités de particules nanométriques est connue pour améliorer
considérablement le comportement mécanique des aciers. Les aciers ODS (Oxide Dispersed
Strengthened Steels), renforcés par des dispersions de nano-oxydes métalliques (à base
d'éléments Y, Ti et O), sont des matériaux prometteurs pour les réacteurs nucléaires de
génération IV.
Leur fabrication, actuellement basée sur un cobroyage de poudres et des traitements
thermomécaniques, n’est pas totalement optimisée. La compréhension fine des mécanismes
mis en jeu lors de la précipitation de ces nano-oxydes permettrait d’améliorer la fabrication
et les propriétés mécaniques de ces aciers ODS, avec un fort impact économique en vue de
leur industrialisation. L’objectif de ce projet est d’étudier expérimentalement les
mécanismes mis en jeu lors de la précipitation de nano-oxydes dispersés dans des
alliages ODS. Une approche analytique par implantation ionique est utilisée, permettant de
contrôler différents paramètres de synthèse de ces précipités comme la température et leur
concentration. Les résultats expérimentaux obtenus serviront à la validation des modèles
numériques.
Description du sujet:
Ce projet fait suite à la thèse de Ce Zheng (Ecole doctorale MIPEGE, Université Paris-Sud,
2012-2015), qui a permis de démontrer la faisabilité de cette méthode [1] et d'étudier le
comportement d'alliages modèles (à base d’oxyde d’aluminium) sous recuit thermique. Des
alliages Fe-10Cr de haute pureté ont été implantés avec des ions Al et O à température
ambiante. Les observations de microscopie électronique en transmission ont montré que des
nano-oxydes apparaissent dans la matrice de Fe-10Cr dès l’implantation à température
ambiante, sans recuit subséquent. Les défauts créés lors de l’implantation ionique sont à
l’origine de la mobilité des éléments introduits, permettant la nucléation de ces
nanoparticules, de quelques nm de diamètre. Ces nanoparticules sont composées
d’aluminium et d’oxygène, et également de chrome. Les examens en haute résolution
montrent que leur structure cristallographique correspond à celle d’un composé hors
équilibre de l’oxyde d’aluminium (de type γ-Al2O3). Les traitements thermiques effectués
après implantation induisent une croissance de la taille de ces nano-oxydes, et un
changement de phase qui tend vers la structure d’équilibre (de type α-Al2O3).
Ces résultats sur des alliages modèles s’appliquent entièrement aux matériaux industriels : en
effet l’implantation ionique reproduit les conditions du broyage, et les traitements thermiques
sont à des températures équivalentes à celles des traitements d’élaboration thermomécaniques. Ainsi des études récentes sur des matériaux industriels (à base Y, Ti, O)
montrent les mêmes résultats que les nôtres, à savoir une apparition des nano-oxydes dès la
phase de broyage [2, 3]. Il est montré également que ces nano-oxydes sont de structure hors
équilibre [4], et subissent un changement de phase lors du traitement thermo-mécanique [5].
L’enjeu de la thèse que nous proposons est d’étudier le système (Y, Ti, O) afin de
comprendre l’apparition de ces nano-particules lors du broyage. Avec la même approche
expérimentale que la thèse de Ce Zheng, nous proposons d’utiliser l’implantation ionique
comme outil de synthèse de ces nano-oxydes, afin de contrôler précisément les différents
paramètres de leur formation, tels que température et concentration. Ces nano-précipités
seront caractérisés de façon détaillée par microscopie électronique en transmission et sonde
atomique tomographique, et les résultats seront comparés aux simulations numériques. Ce
couplage étroit entre les études expérimentales et la modélisation permettra de comprendre
les mécanismes mis en jeu lors de la précipitation de nano-oxydes dispersés dans des alliages
ODS.
[1] C. Zheng et al, Phil. Mag. 94 (2014) 2937-2955
[2] Thèse de Marie Loyer-Prost, CEA/DEN/DMN/SRMP, 2014
[3] C.A. Williams et al., Acta Mater. 61 (2013) 2219-2235
[4] J. Ribis et al., submitted to Nucl. Instrum. Method. B (2014)
[5] J. Ribis, to be submitted.
Moyens expérimentaux:
- microscopes électroniques en transmission (MET) :
FEI 200kV LaB6 relié à l’implanteur d’ions, CSNSM (porte-objet chauffant)
JEOL 2010 et 2100 du SRMA (équipés des techniques analytiques EFTEM, EELS, HR)
- accélérateurs IRMA et ARAMIS du CSNSM
- sonde atomique tomographique
Profil recherché:
Le profil recherché est celui d'un(e) candidat(e) titulaire d'un master en sciences des
matériaux ou physique, désirant travailler en équipe, principalement à l'aide de microscopes
électroniques en transmission (plateforme JANNuS-Orsay au CSNSM, et
CEA/DEN/DMN/SRMA/LA2M), en étroite collaboration avec des modélisateurs.
Contact :
Aurélie Gentils (CSNSM) 01 69 15 52 04, [email protected]
et Joël Ribis (CEA) 01 69 08 85 09, [email protected]