La compréhension de nombreux phénomènes tels que la ségrégation, les transformations de phases, les processus de fragilisation des alliages métalliques ou encore les cinétiques de dissolution d’éléments se basent sur la compréhension et la détermination des mécanismes de diffusion. Plus particulièrement, les mécanismes de diffusion de l’oxygène dans les métaux est cruciale pour comprendre et prédire le comportement des super alliages à base de nickel dans des environnements oxydants.
La présence des lacunes et d’impuretés tels que l’hydrogène, le carbone ou l'azote peuvent, même à des teneurs faibles, modifier de manière significative la perméabilité de l’oxygène dans ses alliages mais l’impact de ces défauts et impuretés sur la perméabilité de l’oxygène n’est pas encore totalement compris.
L’objectif de ces travaux de thèse est de déterminer l’influence de l’hydrogène, du carbone, de l’azote et de la lacune sur la perméabilité de l’oxygène au sein du nickel en employant une approche multi-échelle couplant la théorie de la fonctionnelle de la densité avec différents modèles thermodynamiques et cinétiques.
Dans un premier temps, la lacune, la bi-lacune ainsi que les impuretés isolés ont été étudié afin de déterminer leurs stabilités au sein du système et les différents mécanismes de diffusion élémentaire qui leurs sont associés. Il apparaît que le carbone et l’azote isolés ont des mécanismes de diffusion impliquant un site méta-stable particulier, qui n’est pas présent dans le cas de l’hydrogène et de l’oxygène.
L’étude des défauts est élargie aux amas à plusieurs constituants (lacune et atomes en insertion) pour lesquels il est observé une interaction favorable entre les impuretés et les lacunes, particulièrement forte dans le cas de l’oxygène.
Ensuite les données des amas sont utilisées dans un modèle thermodynamique permettant de déterminer les concentrations des différentes espèces en prenant en compte les interactions entre elles et la lacune.
Le résultat le plus remarquable est que l’interaction entre la lacune et l’oxygène augmente très significativement la concentration en lacune et que la fraction d’oxygène au sein d’un amas contenant une lacune est importante même à des températures relativement élevées.
Enfin les mécanismes de diffusion atomique des amas constituées d’une lacune et d’un atome en insertion sont étudiées et les données relatives à ces amas sont utilisés dans un modèle de diffusion afin de déterminer l’impact de l’interaction lacune-impureté sur leurs propriétés de transport. |
Understanding of physical phenomena such as segregation, phase transistions and embrittlement required to fully understand the kinetic mechanisms leading to these phenomena. In the case of the oxygen, it is crucial to know its diffsusion mecanims in order to predict the evolution of the nickel-based alloys exposed to corrosive environments.
The presence of hydrogen, carbon, nitrogen atoms and vacancies can modify markedly the oxygen permeability, even when their concentrations are low.
Despite their importance, the mechanisms of interaction between the different impurities and defects are not fully understand yet.
The objective of this work is to determine the influence of the hydrogen, carbon, nitrogen and vacancy on the oxygen permeability in the nickel using a multi-scale approach coupling density functional theory and thermodynamic and kinetic models
Fisrtly, the vacancy, divacancy and isolated atoms on interstitial sites are studied to determine their stability and their atomic diffusion mechanisms in nickel.
It appears that carbon and nitrogen have a third stable site within the crystal which lead to a different diffusion mechanism than the one for the hydrogen and oxygen.
Then, the clusters made of several components (vacancy and interstitial atoms) are studied to determine the stability.
This study highlights that the interaction between the vacancy and the interstial atoms are strong especially for the oxygen.
All the result concerning the stability of the cluster are used in a thermodynamic model which allow to calculate the concentration of the differents species and vacancy.
The most striking result is that the interaction between the vacancy and the oxygen lead to an important augmentation of the vacancy concentration and oxygen fraction inside the clusters even at relatively high temperature.
Finally, elementary diffsuion mechanisms of the cluster made of a vacancy and an interstitial atoms are studied and the results are used in a kinetic model to calculate the impact of those interaction on the transport properties of the species. |