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Intitulé de la thèse : Optimisation microstructurale des alliages Cu-Cr pour les contacts électriques d'ampoule à vide

SIndéniablement, des solutions fiables et décarbonées pour les applications de coupure de courant pour protéger les installations électriques critiques sont très importantes pour atteindre les nouveaux cahiers de charge de la transition énergétique contemporaine. Les ampoules à vide constituent un maillon essentiel dans la moyenne tension (1-50kV), la plage de tension utilisée pour la distribution d’électricité dans les villes. Les performances des ampoules à vide sont directement liées aux contacts électriques. Ils constituent le cœur d’une ampoule car ils permettent d’assurer le passage de courant en conditions normales et de couper le courant lors d’un court-circuit ou une surtension.
Les alliages Cu-Cr avec une teneur en Cr comprise entre 25 et 50 % en poids sont largement utilisés comme contacts électriques dans les ampoules à vide en raison de leur combinaison de propriétés mécaniques, thermiques et électriques. La microstructure de ces composites varie considérablement d'un procédé de fabrication à l'autre, cela implique des propriétés différentes et donc des performances de coupure différentes. Cependant, les relations microstructure-propriétés de ces composites n'a pas encore été clairement établie. De plus, malgré l'intérêt pour les composites Cu-Cr, la conception et l'optimisation de leurs microstructures est contrainte par les limites des procédés traditionnels (Frittage et Fonderie).

En conséquence, dans cette étude, deux objectifs scientifiques ont été poursuivis :
i) Identifier les paramètres microstructuraux de 1er ordre qui gouvernent les propriétés mécaniques, électriques et thermiques de ces matériaux complexes ;
ii) Proposer de nouvelles microstructures pour optimiser les propriétés en tirant profit des conditions de solidification hors équilibre offertes par la fabrication additive (FA).

Une étude multi-échelle de la microstructure et des propriétés des composites a été mené. La micro-tomographie aux rayons X couple avec l’analyse d'images assisté par machine learning a été utilisé afin d’identifier avec précision la microstructure en 3D. A partir de cela, on a pu identifier que les interfaces Cu/Cr sont un paramètre de 1er ordre à analyser puisqu’elles auront un effet sur les mécanismes de durcissement (propriétés mécaniques) et de conduction (conductivités électrique et thermique). En effet, les essais mécaniques ont montré que la porosité aux interfaces Cu/Cr contribue à diminuer l’efficacité de plusieurs mécanismes de durcissement, comme la diminution du transfert de charge entre les phases Cu et Cr et d’une moindre génération de dislocations dans la matrice de Cu par différence de coefficient de dilatation thermique entre Cu et Cr. Les mesures de conductivités des composites Cu-Cr ont montré un comportement différent entre conductivités électriques et thermiques. Il s’agit d’un résultat étonnant eu égard aux théories classiques des conductions thermique et électriques dans les métaux. L'utilisation de modèles analytiques et de modèles à champs complets pour simuler les propriétés de conduction a permis d’apporter des clarifications quant aux caractéristiques microstructurales qui jouent un rôle important sur les conductions dans les composites Cu-Cr, comme les résistances d’interface et les impuretés dans le Cu.
Cette étude multi-échelle a ainsi montré qu’un levier important pour l’optimisation des propriétés multi fonctionnelles des contacts électriques Cu-Cr réside dans une capacité à produire des microstructures denses et fines. Un tel défi peut être potentiellement relevé en se plaçant dans des conditions de solidification rapide. La fabrication additive (FA) sur lit de poudres peut aujourd’hui satisfaire de telles exigences, une rupture totale avec les procédés conventionnels. Il a donc été décidé d’étudier la faisabilité d’élaborer des composites Cu-Cr par FA faisceau d’électrons en mélangeant des poudres de Cu et de Cr (in situ alloying). Ce procédé permet d’atteindre la lacune de miscibilité métastable du système binaire Cu-Cr pour déclencher une séparation de phases liquides (comme l’huile dans l’eau) et ainsi d’obtenir une microstructure homogène et très fine. Les propriétés de cette nouvelle microstructure ont ensuite été mesurées et les propriétés mécaniques, électriques et thermiques sont effectivement améliorées, un résultat jamais reporté dans la littérature pour ces alliages. A plus long terme, la fabrication additive peut également permettre d’envisager l’obtention de géométries complexes et de matériaux « sur mesure » avec des gradients microstructuraux contrôlés.

Mots clés : Alliages de cuivre, Matériaux Composites, Contrôle microstructural, Fabrication Additive, Contacts électriques

École doctorale :  ED ISCE - Ingénierie pour la Santé, la Cognition, l'Environnement
Laboratoire d’accueil : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP - CNRS/UGA - Grenoble INP-UGA)
Direction de thèse : Jean-Jacques BLANDIN, Guilhem MARTIN, Sophie ROURE et Antony PAPILLON

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