Soutenance de thèse de Daniel Irmer

Effet de la pré-déformation sur la précipitation dans des alliages à base d’aluminium

La thèse de Daniel Irmer s’inscrit dans un projet entre le Centre des Matériaux et l’équipe MSR du CEMEF. Il a travaillé sous la supervision de Vladimir Esin et Mohamed Sennour (CMAT) et Charbel Moussa (CEMEF).

Daniel Irmer soutient sa thèse de doctorat de l’Ecole Doctorale ISME le 20 juin 2024 dans les locaux de Mines Paris.

Résumé :

Dans la poursuite de l’optimisation de la production industrielle des alliages d’aluminium à travers des traitements thermo-mécaniques complexes pour une efficacité améliorée, la compréhension du développement de la microstructure est important afin d’optimiser les propriétés finales. Les propriétés mécaniques des alliages durcis par précipitation dépendent de la microstructure de précipitation et son évolution pendant la mise en service détermine ses propriétés à long terme.

Cette thèse vise à étudier et à quantifier l’interaction entre précipitation et déformation dans l’alliage d’aluminium (AA) 2024, largement utilisé en aéronautique. La simple séquence de précipitation de l’alliage, comprenant des co-clusters, des zones Guinier-Preston-Bagaryatsky (GPB) et la phase S (phase d’équilibre), facilite l’étude. L’évolution des précipités lors du vieillissement dans un matériau non déformé a été caractérisée par la microscopie électronique en transmission (MET) et des distributions de taille de précipités pour une large gamme de conditions de vieillissement allant de 85 à 250 °C et de 1 à 10 000 h ont été obtenues. Un modèle de champ moyen (KWN) a été utilisé pour décrire la cinétique de précipitation entre 120 à 250 °C. La taille moyenne des précipités peut être bien décrite et une dépendance en température de l’énergie interfaciale de germination est obtenue.

Ensuite, la précipitation lors du vieillissement dans des échantillons pré-déformés a été analysée. Il a été démontré en utilisant la Sonde atomique tomographique (APT) que les co-clusters sont dissous par cisaillement lors du laminage à froid. La dureté augmente lors du vieillissement dû à des précipités fins distribués d’une manière homogène. Une analyse MET in situ a été réalisée pour étudier la transition de la germination hétérogène sur les dislocations à une distribution homogène des précipités. Il a été révélé que la présence des dislocations a un impact important sur la cinétique globale de précipitation. Alors qu’au début de la précipitation, une cinétique accélérée est observée, cet effet s’atténue pour les états très vieillis.

La microstructure de déformation après laminage à froid dans différents états du matériau avec des précipités cisaillable (co-clusters, zones GPB) et non-cisaillable (phase S) a été analysée en 2D et 3D en utilisant des analyses de diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD) et une analyse de microscopie à rayons X en champ sombre (DFXM) au synchrotron, respectivement. La densité volumique des sous-joints était plus élevée tandis que l’angle de désorientation était plus faible en présence des précipités non-cisaillables.

Des gradients d’orientation à longue distance plus élevés et alternés dans les analyses 2D et 3D ont été observés à une contrainte moyenne dans le matériau avec des précipités non-cisaillables, empêchant le glissement des dislocations. À des contraintes plus élevées, l’analyse en 2D a révélé une augmentation progressive des gradients d’orientation intragranulaires à longue distance en présence des précipités cisaillables. L’énergie induite par déformation plastique a été trouvée plus élevée en présence de précipités non-cisaillables.

Dans l’ensemble, les analyses contribuent à la connaissance de l’interaction entre déformation plastique et la précipitation des phases durcissantes. Sur la base de cette compréhension, des traitements thermo-mécaniques sur mesure peuvent être développés dans des projets de recherche ultérieurs, les mécanismes fondamentaux pouvant également être appliqués à d’autres types d’alliages durcis par précipitation.

Effet du laminage à froid sur AA2024-T3 (mise en solution, trempé, écrouissage de 3 % et vieilli à l’ambiant) sur la dureté pendant le traitement thermique ultérieur à 150 °C. La dureté est accompagnée de tomographies électroniques après (a) 50 h et (b) 100 h de traitement thermique sur l’état laminé à froid, illustrant la précipitation sur les lignes de dislocation dans (a), conduisant à des précipités fins et distribués de manière homogène dans (b) par rapport à l’état non déformé après 100 h de traitement thermique dans (c).

Mots-clés : Précipitation, restauration, déformation, diffusion, alliage à base d’aluminium, sous-structures