Origine et nature des composés intermétalliques métastables engendrés par les procédés thermomécaniques d'assemblage entre métaux : cas du broyage du système Al-Cu
(The origin and nature of metastable intermetallic compounds produced by thermo-mechanical joining processes of metals : mechanical alloying in Al-Cu system)

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Auteur(s):  Kwon, Jaeyoung
Date de soutenance : 12/12/2013
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Anglais
Directeur(s) de thèse :  Besson, Rémy ; Avettand-Fenoel, Marie-Noëlle ; Thuinet, Ludovic
Laboratoire : Unité matériaux et transformation (UMET)
Ecole doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq)

Classification : Génie chimique, technologies alimentaires
Discipline : Sciences des matériaux
Mots-clés : Hors stoechiométrie
Mécanosynthèse
Matériaux métastables
Poudres métalliques
Composés intermétalliques
Alliages aluminium-cuivre
Méthodes ab initio (chimie quantique)
Fonctionnelles densité
Défauts ponctuels
Thermodynamique statistique

Résumé : Le composé γ1−Al4Cu9 est souvent observé dans le système Al-Cu, comme produit principal de divers processus hors d’équilibre, en particulier la mécanosynthèse (MS). Sa formation est très surprenante à partir de mélanges riches en Al, en raison de l’existence, dans ce domaine de composition, de nombreux autres composés intermétalliques concurrents potentiels de γ1. Pour préciser les conditions d'apparition de γ1 et élucider les raisons de sa persistance, des mélanges de Al−25 at.% Cu sont broyés et la formation des phases ordonnées Al-Cu durant la MS est étudiée en détail pour différentes durées de processus. Cette étude expérimentale confirme la formation préférentielle de γ1. Afin d'élucider cette surprenante constatation, des calculs ab initio par la méthode de la fonctionnelle de densité (DFT) sont effectués, prenant en considération les enthalpies de défauts ponctuels pour γ1−Al4Cu9. A l’aide de l’approximation des défauts ponctuels indépendants (ADPI) et de la thermodynamique statistique, les diverses concentrations en antisites, lacunes et interstitiels sont obtenues en fonction de la température et de la déviation de stœchiométrie, ainsi que l'énergie libre de γ1−Al4Cu9. Des calculs analogues sont également réalisés pour des composés Al-Cu concurrents, dont la confrontation avec γ1−Al4Cu9 révèle que le comportement de ce dernier hors stœchiométrie fournit une explication plausible pour sa stabilité anormale. Dans une seconde étape, la validité de l’ADPI et les interactions de défauts ponctuels sont étudiées par (i) des simulations Monte-Carlo avec des potentiels semi-empiriques pour Al−Cu, (ii) des simulations ab initio de défauts ponctuels complexes dans les composés hors stœchiométrie γ1 riches en Al. La dernière étape de nos investigations sur la formation de γ1−Al4Cu9 concerne la possibilité de mécanismes athermiques, étudiée à l'aide des calculs DFT et d'une approche originale M2BCE de développements en amas incluant un traitement dans l’espace réciproque. En conclusion, cette étude apporte des éléments significatifs pour interpréter l’apparition préférentielle de phases complexes comme γ1−Al4Cu9 dans divers environnements a priori défavorables. Elle met en évidence des résultats-clés concernant l'origine et la nature des phases métastables produites par MS dans le système Al-Cu. Diverses possibilités sont également suggérées pour des travaux futurs, en vue d’accroître davantage notre connaissance des facteurs gouvernant la stabilité des phases (méta)stables.


Résumé (anglais) : The γ1−Al4Cu9 compound is often observed at Al rich composition, as the main product by mechanical alloying (MA). To understand the conditions and the persistence of γ1−Al4Cu9 at Al rich composition, Al−25 at.% Cu mixtures were milled and investigated by various characterization methods. This experimental study confirms the preferential formation of γ1. In an effort to elucidate this surprising feature, first-principles DFT calculations were performed for bulk and point defect enthalpies in γ1−Al4Cu9. Based on the independent-point-defect-approximation (IPDA) and statistical thermodynamics, the concentrations of the various antisites, vacancies and interstitials were obtained as functions of temperature and deviation from stoichiometry, together with the free energy of γ1−Al4Cu9. These first-principles DFT calculations results revealed that the off−stoichiometry behavior of γ1−Al4Cu9 may provide a plausible explanation for its unusual stability. In a second step, the validity of IPDA and point defect interactions were investigated by (i) Monte-Carlo simulations with empirical potentials for Al−Cu, (ii) ab initio simulations of complex point defects in Al-rich off-stoichiometric γ1 compounds. The last step of this study on the formation of γ1−Al4Cu9 was concerned with the possibility of athermal mechanisms, investigated by first-principles DFT calculations and an original (M2BCE) cluster expansion approach including a reciprocal-space treatment. In conclusion, this study brings significant elements to interpret the preferential formation of complex γ1−Al4Cu9 phases in various a priori unfavourable environments. It evidences key-results regarding the origin and nature of metastable phases produced by MA in Al−Cu.


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