Quantification et correction des biais inhérents à l'analyse par sonde atomique tomographique des nano-particules d'un acier ODS : Application à l'étude de leur formation et de leur comportement sous irradiation

ODS (Oxide Dispersion Strenghtened) steels are promising candidates for future nuclear reactors, thanks in part to the thin dispersion of nanoparticles they contain. This study is part of the CPR ODISSEE, whose objective is to federate the theoretical and experimental investigation methods of different French laboratories, from the atomic scale to the mechanical properties, around the same ODS steel, to optimize its microstructure and to understand its properties and behavior.Until now, there was no consensus on the nature of the nanoparticles because of their analysis pushing the techniques to their limits. The first objective of this thesis was to understand the biases inherent in the analysis of these particles by atom probe tomography (APT) in order to determine their characteristics. Coupling APT with transmission electron microscopy and numerical simulation of field evaporation was used. An analytical model, developed during this work, corroborated experimentally and by simulation, has made it possible to correct the biases inherent in the APT analysis of ODS steel particle. The corrected data indicate that these particles are yttrium and titanium oxides, of cubic form, with a pyrochlore structure, whose stoichiometry evolves with size. They are surrounded by a shell enriched with Cr.The studied steel is obtained by mechanical alloying of powders and then hot extruded (1100° C). The second objective of this thesis was to study the formation of nanoparticles during the elaboration stagesand then their stability in temperature and under irradiation. All the Y, Ti and O atoms are in solid solution after mechanical alloying. A thin and dense dispersion of oxides precipitates during the hot extrusion step. These oxides are stable during an annealing of 1 h at 1050 ° C. The particles are also stable under low dose (50dpa) ion irradiation at 500 and 700 ° C. At high temperature (700 ° C) and high dose (270dpa), it is observed a dissolution of particles of less than 2 nm. The remaining particles are yttrium oxides with a Cr-rich shell.Operated by the University of Rouen Specialty Physics-Materials Science Quantification and correction of the bias inherent in tomographic atomic probe analysis of nano-particles of an ODS steel: Application to the study of their formation and their behavior under irradiation Presented and publicly supported by Constantinos HATZOGLOU Thesis directed by Pr. Philippe PAREIGE, co-supervised by Dr. Bertrand RADIGUETLes aciers renforcés par dispersion d’oxydes (en anglais ODS : Oxide Dispersion Strenghtened) sont des candidats prometteurs pour les futurs réacteurs nucléaires, en partie grâce à la fine dispersion de nano-particules qu’ils contiennent. Cette étude s’inscrit dans le cadre du CPR ODISSEE, dont l’objectif est de fédérer les méthodes d’investigation théoriques et expérimentales de différents laboratoires français, de l’échelle atomique jusqu’aux propriétés mécaniques, autour d’un même acier ODS afin d’optimiser sa microstructure et de comprendre ses propriétés et son comportement.Il n’existait pas jusqu’à ce jour de consensus quant à la nature des nanoparticules du fait de leur analyse poussant les techniques de pointes à leurs limites. Le premier objectif de cette thèse était de comprendre les biais inhérents à l’analyse de ces particules par sonde atomique tomographique (SAT) afin d’en déterminer les caractéristiques. Un couplage de la SAT avec des analyses par microscopie électronique en transmission, et la simulation numérique de l’évaporation par effet de champ a été utilisé. Un modèle analytique, développé durant ces travaux, corroboré expérimentalement et par simulation, a permis de corriger les biais inhérents à l’analyse en SAT des particules d’un acier ODS. Les données corrigées indiquent que ces particules sont des oxydes d’yttrium et de titane, de forme cubique, de structure pyrochlore, dont la stœchiométrie évolue avec la taille. Elles sont entourées d’une coquille enrichie en Cr.L’acier étudié est obtenu par co-broyage de poudres puis filage à chaud (1100°C). Le second objectif de cette thèse était d’étudier la formation des nanorenforts lors de ces étapes puis leur stabilité en température et sous irradiation. Tous les atomes d'Y, de Ti et d'O sont en solution solide à l’issue du broyage. Une fine et dense dispersion d’oxydes précipite lors de l’étape de filage. Ces oxydes sont stables lors d’un recuit de 1h à 1050°C. Les particules sont également stables sous irradiation ionique à faible dose (50dpa), à 500 et 700°C. A haute température (700°C) et à forte dose (270dpa), il est observé une dissolution des particules de moins de 2 nm. Les particules restantes sont des oxydes d’yttrium avec une coquille riche en Cr.Opéré par l'Université de Rouen Spécialité Physique-Sciences des Matériaux Quantification et correction des biais inhérents à l'analyse par sonde atomique tomographique des nano-particules d'un acier ODS : Application à l'étude de leur formation et de leur comportement sous irradiation Présentée et soutenue publiquement par Constantinos HATZOGLOU Thèse dirigée par Pr. Philippe PAREIGE, co-encadrée par Dr. Bertrand RADIGUE