Etude de transformations de phases dans des …

1 N d ordre : 2363 THESE pr sent e pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE cole doctorale : Mat riaux Structure M canique Sp cialit : Science et G nie des Mat riaux par Bertha Roc o VALDES LOPEZ Etude de transformations de phases dans des alliages d aluminium par la technique des couples de diffusion Soutenue le 13 juillet 2006 devant le jury compos de : M. Eric ANDRIEU Professeur, Toulouse Pr sident M. Alain HAZOTTE Professeur, LETAM Rapporteur M. Miguel A. CISNEROS Professeur, de Saltillo Rapporteur M. Jacques LACAZE Directeur de recherche Directeur de th se Etude de transformations de phases dans des alliages d aluminium par la technique des couples de diffusion. RESUME Cette tude d crit les quilibres de phases dans diff rents alliages d aluminium en vue de mieux conna tre le r le du magn sium, du mangan se et du fer dans les alliages Al-Si.

2 Les travaux exp rimentaux ont essentiellement port sur l analyse de couples de diffusion solide/solide et solide/liquide. Le syst me Al-Mg-Si a t tudi en premier en associant un alliage Al-Si diff rents alliages Al-Mg-Si. Ces r sultats, compl t s par des essais d ATD, ont permis d am liorer la description thermodynamique de ce syst me selon la m thode CALPHAD. Le syst me Al-Mg-Mn-Si a ensuite t tudi exp rimentalement en associant des alliages Al-Mn-Si et Al-Mg-Si. Le principal r sultat obtenu dans cette partie est la non-substitution du Mg dans les compos s d finis du syst me Al-Mn-Si. La derni re partie pr sente une tude par MET des compos s d finis contenant Al, Si, Mn et Fe dans des alliages d aluminium assembl s par brasage, proc d que l on peut rapprocher des couples solide/liquide. ABSTRACT The purpose of the present work is to describe phase equilibria in different aluminium alloys for a better understanding of the role of magnesium, manganese and iron in Al-Si commercial alloys.

3 The experimental support was the analysis of solid/solid and solid/liquid diffusion couples. Firstly, the Al-Mg-Si system was studied by associating an Al-Si alloy to different Al-Mg-Si alloys. These results, supplemented by DTA tests, made it possible to improve the thermodynamic description of this system according to CALPHAD method. The Al-Mg-Mn-Si system was then studied by diffusion couples with Al-Mn-Si and Al-Mg-Si alloys as end members. The main result obtained in this part of the work is that Mg does not substitute in the ternary Al-Mn-Si compounds. Finally, a TEM study of the compounds containing Al, Si, Mn and Fe in some aluminium alloys assembled by brazing is presented. This latter process can be compared to the solid/liquid couple technique. Keywords: Diffusion couple Aluminum Silicon Magnesium Manganese Microanalysis Calphad Intermetallics Phase diagrams A la m moire de ma m re.

4 En t moignage de ma grande affection. Remerciements Ce travail de th se a t r alis au sein de l quipe MEMO M canique Microstructure Oxydation du Centre Interuniversitaire de Recherche et d Ing nierie des Mat riaux de Toulouse (CIRIMAT) dirig par Monsieur Francis Maury. Ce th se s est effectu e sous la direction de Monsieur Jacques Lacaze, directeur de recherche au Centre National de la Recherche Scientifique. Je souhaite lui exprimer ma profonde reconnaissance pour m avoir tellement apport scientifiquement et humainement. Je tiens remercier Monsieur Eric Andrieu, Professeur l Institut National Polytechnique de Toulouse, pour avoir accept de pr sider le jury, malgr ses nombreuses obligations. Je remercie galement Monsieur Miguel A. Cisneros, Professeur l Institut Technologique de Saltillo, et Monsieur Alain Hazzote du LETAM, professeur l Universit de Metz, d avoir accept d tre les rapporteurs de mes travaux de th se.

5 Je ne saurais oublier Monsieur Bernard Viguier et Moukrane Dehmas, qui m ont fait profite de leur riche exp rience en cristallographie. Je tiens galement exprimer ma plus haute estime et ma profonde gratitude Madame Marie-Christine Lafont et Monsieur Djar Quab. Je les remercie tr s vivement pour leur aide constante en mati re de microscopie lectronique en transmission et balayage. Mes remerciements s adressent galement Jany et Aline pour leur amiti et leur soutien administratif. Merci galement tous les permanents du laboratoire, Dominique, Daniel, Jb-Deschamps, Yannick, Alexandre, Nadine, Christine, G rard et Philippe Maugis. Merci pour vos pr cieux conseils et leur soutien. Je remercie tr s sinc rement tous mes camarades de laboratoire pour leur amiti et leur soutien dans les moments difficiles, Nadia, Mayerling, Cat, Jonathan, Raluca, Sandrine, Julien, Lo c, JB-J, Fabienne, Cristel, Emilie, Simon.

6 Je remercie plus particuli rement mes camarades de bureau, S verin, Greg et Nakari, qui trouvent ici toute mon affection. Je vous souhaite de tout mon c ur une tr s grande r ussite. Je tiens aussi remercier toute ma famille pour son soutien de l autre c t de l oc an. Enfin, je pense tr s fort celui qui a partag mon quotidien, qui m a toujours soutenu : Merci cher Oliver, pour m avoir accompagn dans cette grande aventure. Encore une derni re fois, merci tous. SOMMAIRE ..2 Le programme MICAST .. 2 Pr sentation et composition des mat 3 Techniques de caract risation .. 6 Microscopie optique .. 6 Diffraction des rayons X .. 7 Microscopie lectronique balayage (MEB) .. 8 Microanalyse X .. 9 Microscopie lectronique transmission (MET) .. 13 quilibre des phases et solidification d alliages riches en magn sium dans le syst me 13 Evaluation de type Calphad du system Al-Mg-Si.

7 15 quilibre des phases dans le system Al-Mg-Si-Mn .. 16 Evaluation du diagramme 17 Couples de diffusion l tat solide entre Al-Mn-Si et Al-Mg-Si .. 18 Couples de diffusion avec phase liquide .. 19 Etude TEM des pr cipit s de Al-Mn-Fe-Si dans un alliage d aluminium re-solidifi .. 20 Cette th se comprend sept compl ments : I. MICAST- The effect of magnetically controlled fluid flow on microstructure evolution in cast technical Al-alloy. II. X-ray characterization of Al-Mg-Si alloys. III. Phase equilibria and solidification of Mg-rich Al-Mg-Si alloys. IV. Diffusion couples Al-Si/Al-Mg-Si, preparation and exploitation. V. Calphad-type assessment of the Al-Mg-Si system. VI. Phase equilibria and solidification in Al-Mg-Si-Mn system. VII. Identification of intermetallic precipitates formed during re-solidification of brazed aluminium alloys. Introduction 2 Introduction Le programme MICAST Les travaux de cette th se s inscrivent dans le cadre du programme MICAST Microstructure Formation in Casting of Technical Alloys under Diffusive and Magnetically Controlled Convective Conditions MICAST financ par l ESA (Agence spatiale europ enne).

8 Ce programme a associ des partenaires universitaires (ACCESS, CGL, CIRIMAT-INPT, DLR-IRS, EPM-MADYLAM, SGMU) et industriels (DUNAFERR, HYDRO, MAL, TITAL) et portait sur l analyse de la formation de la microstructure de solidification d alliages d aluminium du type A356 contenant du fer et mangan se sous diff rentes conditions convectives (microgravit , gravit terrestre et confinement magn tique). Des revues des r sultats exp rimentaux et th oriques ont t publi es dans des journaux et des actes de conf rences internationales [1-3]. L une de ces publications [1] est incluse dans ce manuscrit comme le premier compl ment. Huit groupes de travail (work-packages) avaient t constitu s : WP1 : Pr paration, ex cution et analyse d essais sur Terre devant servir de r f rences ; WP2 : D veloppement du r seau dendritique en trois dimensions ; WP3 : Thermodynamique ; WP4 : Conditions industrielles ; WP5 : Analyse des champs magn tiques de d placement ; WP6 : D veloppement et application des mod lisations en champs de phase ; WP7 : D veloppement et application des mod lisations globales ; WP8 : Pr paration, ex cution et analyse des essais en vol.

9 Introduction 3 Nos travaux se situaient dans le cadre du groupe de travail 3 et avaient pour objectif une meilleure connaissance du syst me Al-Mg-Si-(Mn-Fe). Bien que ce syst me ait d j t largement tudi , sa complexit est source de nombreuses ambigu t s qui justifient une nouvelle approche. Pr sentation et composition des mat riaux Dans une premi re partie de notre tude, nous avons travaill sur le syst me Al-Mg-Si. A partir de la section isotherme du diagramme de phase Al-Mg-Si calcul e 300 C avec la base de donn es COST 507 [4] et pr sent e en Figure I-1, nous avons choisi les compositions de quatre alliages localis es dans diff rents domaines de phase. Dans cette figure les lignes en trait pais sont les limites entre diff rents domaines de phases , les phases pr sentes tant indiqu es sur le c t droit du diagramme. Les symboles (Al) et (Mg) repr sentent les solutions solides riches en Al et Mg respectivement, et les symboles Al3Mg2- , Al30Mg23- , Al12Mg17- et Mg2Si d signent les compos s binaires des syst mes Al-Mg et Mg-Si dont les diagrammes sont repr sent s en Figure I-2.

10 Dans le diagramme Al-Mg, on note que la phase gamma pr sente un large domaine d homog n it . Des travaux r cents de Donnadieu [5, 6] ont montr que les structures des phases et sont complexes. L analyse du diagramme de phases binaire Mg-Si montre la pr sence du compos interm tallique st chiom trique Mg2Si point de fusion lev . Les compositions de trois alliages (croix) ont t choisies suivant la ligne en trait interrompu de sorte qu elles soient situ es dans trois domaines triphas s diff rents. Un quatri me alliage, contenant 30 % en poids de magn sium et % en poids de silicium, a t pr par pour cette tude et est repr sent par un carr dans la Figure I-1. Les trois premiers alliages tudi s ont t pr par s au CRC (Casting research center, Australie) et le quatri me par le DLR (Allemagne). Des analyses chimiques ont t effectu es au centre d analyses du CNRS, avec un soin sp cial pour d tecter la pr sence de fer et de mangan se.