Groupe de Physique des Matériaux - UMR CNRS 6634

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Modélisation en champ de phase de la cinétique de précipitation dans les alliages Al-Sc

par LABGPM - publié le , mis à jour le

Depuis 15 ans, la méthode du champ de phase a émergé comme un outil performant pour étudier les problèmes de précipitation. Son principe est de décrire l’état local de la matière à l’aide d’un ou plusieurs champs de phase, qui peuvent souvent être assimilés à des paramètres d’ordre. Dans l’approche du champ de phase, la formation de précipités et surtout leurs formes dans le stade avancé de la précipitation font intervenir les effets élastiques. Ces effets peuvent être pris en compte en introduisant un terme supplémentaire dans l’énergie du système.
L’addition d’éléments de transition comme le zirconium ou le scandium aux alliages d’aluminium conduit à la formation de fins précipités ordonnés qui diminuent la sensibilité de ces alliages par rapport à la recristallisation, propriété recherchée dans la conception d’alliages performants. Utilisant la méthode du champ de phase nous avons étudié la cinétique de précipitation dans les alliages binaires Al-Sc en tenant compte de la mise en ordre chimique et des effets élastiques. Pour les alliages binaires Al-Sc avec une très faible sursaturation en Sc nous avons mis en évidence l’influence des effets élastiques sur la croissance en forme dendritique des précipités ordonnés Al3Sc (fig. 1).


Isoconcentration en scandium pour le temps de simulation t*=10000. Simulation champ de phase 3D

Figure 1. Isoconcentration en scandium pour le temps de simulation t*=10000. Simulation champ de phase 3D (a), projection suivant une direction de type <100> (b) et image d’un précipité Al3Sc observé en MET (c).

A partir de nos simulations nous avons montré qu’il existe une valeur critique du rapport de l’énergie élastique et la force motrice chimique à partir de laquelle la croissance d’un précipité avec une forme dendritique est possible.
Nous avons également étudié la cinétique de précipitation dans les alliages ternaire Al-Sc-Zr.
Il a été montré que dans un premier temps, le scandium diffusant beaucoup plus vite que le zirconium, il forme le noyau des précipités ordonnés. Pour des temps plus longs, un appauvrissement de la solution solide en scandium conduit à un accroissement de taille des précipités principalement par adsorption de zirconium. Celui-ci correspond en fait à la formation d’une couche périphérique riche en Zr autour du précipité Al3Sc. Ces simulations sont en parfait accord avec les résultats obtenus en sonde atomique tomographique (fig.2).


Microstructure simulée de l’alliage Al-0.09%Zr-0.047%Sc

Figure 2. Microstructure simulée de l’alliage Al-0.09%Zr-0.047%Sc à temps réduite t*= 50000.
Isoconcentration de Zr (en bleu) autour des particules Al3Sc (en jaune) (a), profil de concentration simulé (b) et expérimental (c) obtenu en 3DAP d’un alliage Al-0.09%Zr-0.047%Sc vieilli 15h à 475°C à travers des précipités.