Lors de la synthèse des aciers ODS, la première étape consiste à réaliser un broyage actif, appelé mécano-synthèse, entre les matériaux de départ qui sont la poudre métallique et les renforts d’oxyde. Ce procédé peut se réaliser au moyen d’un broyeur à boulets, constitué d’une cuve cylindrique à l’intérieur de laquelle des billes en acier sont introduites. Le broyage résulte des combinaisons de chocs entre billes, poudre et paroi de la cuve, ce qui conduit à une évolution de la de la taille, de leur forme et de leur polydispersité. La première partie de cette thèse s’est attachée à élaborer un moyen de caractérisation de la poudre par des mesures ultrasonores. Une méthode qui consiste à sonder un échantillon de poudre métallique pour la mesure des paramètres acoustiques s’est avérée être adaptée pour la qualification de la poudre métallique en cours de broyage. Une dépendance des paramètres acoustiques avec les caractéristiques morphologiques du milieu a également été mise en évidence pour des échantillons granulaires. Dans une deuxième partie, l’optimisation du procédé par l’identification de la vitesse optimale de rotation de la cuve est recherchée dans un premier temps. Une mise en parallèle des signaux acoustiques et vibratoires en fonction de la vitesse de rotation de la cuve avec le mouvement des billes, montre que les énergies acoustique et vibratoire sont des indicateurs pouvant conduire à la vitesse de rotation optimale. Puis, il est montré comment des mesures acoustiques et vibratoires durant un broyage permettent de caractériser l’évolution de la nature des poudres et d’identifier la présence de colmatage de la poudre sur les parois de la cuve. / During the ODS steel (Oxide Dispersion Strengthened) synthesis, the first stage consists in an active milling between original materials, which are metallic powder and oxide to obtain reinforced micro/nanoscale dispersions. This process, known as mechanical alloying, could be realized by balls milling composed by a cylindrical tank rotating around its main axis, within which steel beads are introduced. The grinding results from different combinations of collisions between beads and powders on the tank walls, that lead to morphological grain powder evolution (grain size and shape). The first part of this thesis proposes an ultrasonic method to characterize the metallic powder. An experimental method, which consists in acoustic probing for measuring linear acoustic parameters (longitudinal wave velocity and elastic modulus) of a slab of powder sample, appears to be suitable to follow different mechanical alloying stages. A dependence of the acoustic parameters on the morphological characteristics of metallic powder (grain shape and grain size distribution) is shown with the same sample preparation and the same confining pressure. In the second part, optimization process by identification of ball milling optimal rotation speed is researched in a first step. Correlation between acoustic or vibration signals and bead motion versus rotation speed, shows that acoustic and vibration energy are good indicators that can be used to find the optimal rotation speed. In a second step, acoustic and vibration measures are used to follow grain material properties evolution during a grinding (for a period of 176hrs) and to identify powder clogging mechanism on a milling tank.

This thesis was most concerned with the mechanical response to irradiation of two in-house produced oxide dispersion strengthened (ODS) steels and two non-ODS coun- terparts. The steels, manufactured by Dr. M. J. Gorley (University of Oxford), were me- chanically alloyed from gas-atomised Fe-14Cr-3W-0.2Ti, with the addition of 0.25Y₂O₃ powder in the case of the ODS variants. The powders were hot isostatic pressed at consolidation temperatures of 950 °C and 1150 °C. The four steels were designated 14WT 950 (non-ODS), 14YWT 950 (ODS), 14WT 1150 (non-ODS) and 14YWT 1150 (ODS), and were used in the as-produced condition. Initially, the macroscale elastic modulus and yield stress were determined using a four-point flexure test, employing digital image correlation (DIC) as a strain gauge. The microcantilever size eects were then characterised, and it was determined that the yield stress signicantly diverged from macroscale values at microcantilever beam depths of < 4.5 μm. Using knowledge of this, the in-house produced alloys were irradiated with 2 MeV protons at the Surrey Ion Beam Centre (University of Surrey, UK) to a displacement damage of ∼ 0.02 dpa and 0.2 dpa (Bragg peak). This was to produce a deep irradiated layer for the fabrication of large microcantilevers with reduced size effects. The cross-sectional surface of the irradiated layer was then exposed and inclined linear arrays of 250 nm deep indents were placed across the damage prole. 14WT 1150 (non-ODS) revealed a clear proton damage prole in plots of hardness against irradiation depth, 14WT 950 (non-ODS) also showed modest hardening in the region of the Bragg peak. No appreciable hardening was observed in either 14YWT specimens, attributed to the fine dispersion of nanoscale oxides providing a high number density of defect sink sites. However, a large bimodal variation in hardness was measured in both ODS variants. This was investigated using EBSD and EDX, and was determined to be caused by a pronounced heterogeneity of the microstructure. While Hall-Petch strengthening and changes in the local chemistry had some effect on the measured hardness, the most likely cause of the large variation in local hardness was heterogeneity in the nanoscale oxide population. Microcantilevers were fabricated out of the irradiated layer cross-section in 14WT 1150 and 14YWT 1150. Larger microcantilevers, with ∼ 5 μm beam depth, were placed with their beam centre at ∼ 0.026 dpa. Smaller microcantilevers, with ∼ 1.5 μm beam depth, were placed with their beam centre at the Bragg peak, 0.2 dpa. Both the large and the small microcantilevers fabricated in 14WT 1150 (non-ODS) displayed significant irradiation hardening. In the ODS variant, 14YWT 1150, irradiation hardening appeared to be reduced. The work in this thesis successfully showed that it was possible to extract a close approximation of the macroscale yield stress from shallow irradiated layers, providing that the irradiation condition is carefully chosen in response to known size dependent behaviour. This thesis also investigated the size dependent behaviour of microcantilevers using a lengthscale dependent crystal plasticity UMAT, developed by Dunne et al. and implemented within ABAQUS 6.14-2 commercially available nite element software. The simulation of the GND density evolution with increasing plastic strain allowed their contribution to the microcantilever size effect, through mobile dislocation pinning, to be determined. This novel approach to modelling size effects in three dimensional finite element microcantilever models demonstrated that while it was possible to simulate a lengthscale-dependent response in finite element microcantilever models, the constitutive equation for the plastic velocity gradient needs to be more physically based in order the match the experimentally derived results; for example, a lengthscale-dependent term relating to the dislocation source density of the material. Although the apparent reduction of irradiation hardening in ODS in-house produced alloys showed great promise, these alloys also displayed a large amount of scatter in measured hardness and yield stress, attributed to the pronounced heterogeneity in the microstructure. Alloys with such signicant microstructural heterogeneity are not suitable for engineering or commercial use.

Les aciers appelés ODS (pour Oxide Dispersion Strengthened), renforcés par une dispersion homogène de nano-oxydes, sont des matériaux de structure avancés pour les futurs réacteurs nucléaires de fusion et de fission. En effet ces nano-oxydes, à base d’Y et Ti, servent comme centres de recombinaison de défauts ponctuels et d'obstacles aux mouvements des dislocations, améliorant de ce fait leur résistance aux radiations et aux températures élevées. La fabrication conventionnelle des aciers ODS est réalisée par broyage mécanique suivi de traitements thermo-mécaniques, et ne permet pas facilement de comprendre les mécanismes physiques conduisant à la précipitation des nano-oxydes, ce qui serait potentiellement utile pour optimiser leur production. La cinétique de formation de ces nano-oxydes peut être étudiée en utilisant une technique alternative, à savoir la synthèse par faisceaux d’ions, qui présente de nombreux avantages, notamment le contrôle précis des paramètres expérimentaux et la possibilité de décorréler divers facteurs contribuant à la cinétique de précipitation. Au cours de cette thèse, cette technique a été utilisée pour étudier la coprécipitation d'ions métalliques (Y et/ou Ti) et d'oxygène implantés dans un alliage modèle Fe-Cr de composition proche de celle typique des aciers ODS commerciaux. Des ions de Y, Ti et O à basse énergie ont été implantés dans des échantillons d'alliage Fe10wt%Cr de haute pureté à température ambiante. Les échantillons implantés ont ensuite été recuits à diverses températures entre 600 à 1100°C pour favoriser la précipitation de nano-oxydes, conformément au principe de cette technique. La microscopie électronique à transmission a été utilisée pour caractériser la structure cristallographique et la composition chimique des nano-oxydes formés lors de trois séries d'expériences. Tout d'abord, l'implantation séquentielle d'ions Ti et O a été mise en œuvre. Un recuit ultérieur a révélé qu’il n’y avait pas de précipitation d'oxyde de titane jusqu’à des températures inférieures à 1000°C, mais la présence de nano-oxydes riches en chrome avec une structure hexagonale de type corundum, qui contiennent une certaine quantité de Ti à des températures suffisamment élevées. Ce n’est qu’après le recuit à 1100°C que des nano-oxydes d’un autre type à cœur enrichi en Ti et coquille enrichie en Cr ont également été observés. Deuxièmement, l'implantation séquentielle d’ions Y et O a entraîné la formation à 800°C de nano-oxydes probablement riches en yttrium. Le recuit à 1100°C a favorisé la croissance des particules identifiées comme étant des nano-oxydes d’yttrium avec une coquille enrichie en Cr. Enfin, une implantation ionique séquentielle de deux ions métalliques (Y et Ti) a été réalisée, suivie d'une implantation d’O. L'ordre d'implantation des ions métalliques s'est révélé crucial pour la précipitation de nano-oxydes lors du recuit ultérieur. Lors de la séquence avec une implantation de Ti en premier, une précipitation d'oxyde riche en chrome de structure corundum hexagonale a été observée, très similaire au cas de l'implantation d’ions Ti et O. En revanche, la séquence avec une implantation d’ions Y en premier a produit des nano-oxydes d'yttrium-titane qui possèdent une structure non identifiable. En résumé, l’étude a démontré la faisabilité de la formation de nano-oxydes de Y, Ti et (Y, Ti) par implantation ionique. La thèse présente la caractérisation détaillée de ces nano-oxydes, ainsi que certaines de leurs caractéristiques spécifiques, telles que la présence de relations d'orientation entre les nano-oxydes et la matrice FeCr, qui ont été observées même dans le cas de nano-oxydes de type corundum riches en Cr. Enfin, les résultats obtenus, combinées avec les données de la littérature, sont discutées pour une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la formation des nano-oxydes dans les aciers ODS. / Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels, that is steels reinforced with a homogeneous distribution of (Y,Ti) oxide nano-particles, are advanced structural materials for nuclear applications. The oxide particles serve as point defect recombination centres and obstacles to dislocation motion thereby improving radiation resistance and high-temperature strength of these steels making them perfect candidate materials for future fusion and fission nuclear reactors. The conventional fabrication of ODS steels is achieved by mechanical alloying followed by thermomechanical heat treatments. This way of ODS steel production seems complicated to understand the physical mechanisms leading to the precipitation of nano-oxide particles. The kinetics of nanoparticle formation can be much better studied using an alternative technique of nanoparticle growth, namely Ion Beam Synthesis (IBS). This approach has many advantages including the precise control of experimental parameters and the ability to de-correlate various factors contributing to precipitation kinetics. A better knowledge gained in this way would be potentially helpful for optimization of ODS steel production routines. In the course of this PhD study, the IBS approach was applied to investigate the co-precipitation of metal (Y and/or Ti) and oxygen ions implanted into a model Fe-Cr alloy with the composition close to those typical for commercial ODS steels. Following the standard IBS schedule, consisting of ion implantation followed by high-temperature heat treatment, ions of Y, Ti and O at low energies were implanted into high-purity Fe10wt%Cr alloy samples at room temperature. The implanted samples were then annealed at various temperatures ranging from 600 to 1100°C to promote the precipitation of nano-oxide particles. A range of Transmission Electron Microscopy techniques were used to characterize the crystallographic structure and chemical composition of the nanoparticles. The study has been performed following three sets of experiments. First of all, the sequential implantation of Ti and O ions was implemented. Subsequent annealing at temperatures below 1000°C revealed that precipitation of titanium oxide was suppressed. Instead, chromium-rich nano-oxide particles with corundum hexagonal structure were found to precipitate. At sufficiently high temperatures these corundum particles were found to contain certain amount of Ti. Only after annealing at the highest temperature of 1100°C, particles of another type with Ti enriched core and Cr enriched shell were additionally fixed. Secondly, sequential Y and O ion implantation resulted in the formation of probable yttrium-rich oxides at 800°C. Annealing at 1100°C promoted their growth to larger sized yttria (Y₂O₃) particles with a Cr enriched shell. Finally, sequential ion implantation of both metal ions (Y and Ti) was performed, followed by O implantation. The order of metal ion implantation has been found to be crucial for subsequent oxide precipitation at the annealing stage. With the Ti implantation first in the sequence, the precipitation of corundum hexagonal chromium-rich oxide was observed, very similar to the case of Ti and O implantation. In contrast, implantation starting with Y produced yttrium-titanium oxide particles with unidentifiable structure. Summing up, the study has demonstrated the feasibility of the formation of Y, Ti and (Y,Ti) oxides by ion implantation. The thesis presents the detailed characterization of the nanoparticles, as well as the discovered specific features of precipitated particles, such as the presence of orientation relationships between the particles and the FeCr matrix, which was observed even for the case of Cr-rich corundum particles. Finally, the implications of the obtained results, in conjunction with the already known data from the existing literature, for the better understanding of the mechanisms involved in the formation of nano-oxide particles in ODS steels are discussed.