On the Aluminium Alloy Design Using Molecular Dynamics

Le présent travail porte sur le développement des alliages d'aluminium à l'aide de la dynamique moléculaire (MD, son acronyme commun en anglais), la thermodynamique classique ainsi que des essais expérimentaux. La combinaison de ces outils facilite la compréhension de la physique des procédés lors de l'élaboration des nouveaux alliages. Elle identifie leurs limites d'application et leurs possibilités d'amélioration. Traditionnellement, la thermochimie est utilisée pour déterminer l'assemblage de phases et les coûts énergétiques lors du design des alliages. De plus, le développement rapide d'outils informatiques permet d'étudier la dynamique des systèmes métalliques à la meso-échelle, c'est-à-dire entre 10 nm et 1 μm (voir Figure 0.1). Par ailleurs, des essais expérimentaux sont requis pour l'amélioration des outils numériques. Les applications de la MD se concentrent sur deux aspects principaux : la description thermodynamique des systèmes solides et liquides ; et l'étude de la solidification des alliages. La transférabilité des potentiels interatomiques actuels en MD a été analysée sur la modélisation des solides et liquides dans les systèmes constitués de : Zr, Al-Cu, Al-Cr et Al-Zr-Ti. Les études de solidification couvrent trois cas : La solidification de l'aluminium pure, l'effet de l'ordre icosaédrique sur la nucléation de la phase FCC dans des alliages Al-Cr et la précipitation des intermétalliques Al3Zr (D023) and Al3Ti (D022) dans le système Al-Zr-Ti. Ce dernier cas a été aussi exploré expérimentalement en incluant le Si dans le système Al-Si-Zr-Ti. Les résultats des simulations révèlent que les modèles de potentiels interatomiques actuels en MD ne peuvent être extrapolés correctement pour des systèmes multicomposants, ceci est dû aux hypothèses propres au formalisme pour la paramétrisation des forces intermoléculaires. C'est-à-dire, à cause de la simplification des contributions énergétiques par pairs. Cependant, la description des systèmes métalliques reste acceptable pour des cas spécifiques et systèmes simples. La solidification, étant un phénomène complexe, ne peut pas être modélisée proprement avec la MD classique pour les raisons suivantes : (1) Limitation des ressources computationnelles : actuellement la taille et le temps de simulations sont amplement courts par rapport aux cas d'étude réels, même en utilisant des superordinateurs. (2) Non-homogénéité des potentiels interatomiques : Il existe plusieurs formalismes pour décrire les interactions intermoléculaires, malheureusement, la description énergétique de phases avec ces potentiels peut changer fortement d'un formalisme à l'autre. Ceci amène des erreurs supplémentaires durant l'intégration de plus d'éléments dans le système. Donc, la modélisation des alliages à haute entropie (High-Entropy Alloys) devient difficile. (3) Manque de description entropique : Puisque la MD est basée sur des apports purement enthalpiques, l'effet entropique n'est pas considéré lors d'une simulation classique, ce qui empêche la prédiction des phases primaires lors d'un refroidissement. Quand la teneur des éléments d'alliage dépasse la limite acceptée pour cristalliser la phase α-Al FCC, des verres métalliques sont obtenus. En revanche, la MD donne accès aux propriétés physiques à pression et température constantes. Aussi, elle donne également des indices sur les phénomènes de nucléation en accord avec la théorie de la nucléation de la phase FCC assisté par l'ordre icosaédrique dans le system simple Al-Cr. Les essais expérimentaux ont été réalisés sur un montage innovant basé sur la technologie Porous Disc Filtration Apparatus (PoDFA). Les résultats sur la précipitation des phases Al3Zr et Al3Ti ont montré que la cinétique de précipitation peut décaler l'équilibre de phases primaires prévues par la thermodynamique classique. Les intermétalliques Al3Ti sont cinétiquement favorisés par rapport aux intermétalliques Al3Zr. La cristallographie de ces intermétalliques a été confirmée par microscopie électronique à transmission. La substitution des sites de sous-réseau Al par le Si a été quantifiée par Microscopie Electronique à Balayage (MEB). FactSage, étant un logiciel spécialisé en métallurgie, a confirmé qu'une telle substitution est possible pour la phase de nature Al3−xSix(Tiy−1Zry)-D022. Tandis que pour le modèle actuel de la phase Al3(Zr1−x,Tix)-D023, le Si n'est pas considéré dans sa liste de end-members des bases de données. Finalement, il a été expérimentalement montré que les intermétalliques tétragonales type Al3X (X=Zr,Ti) agissent comme des sites de nucléation pour la phase FCC. Et donc, ils pourront être utilisés comme affinants des grains.

Abstract

This master's thesis focuses on the applications of classical Molecular Dynamics (MD) simulations for the design of aluminum alloys. The predicting capability of this emerging tool has been compared to classical thermodynamics and experimental work. MD has gained popularity as a result of the accelerated development of computer science. Current computational resources already allow to perform simulations at the mesoscale, i.e. between 10 nm and 1 μm (see Figure 0.2). Nevertheless, most force field models are still based on pairwise interactions. Limitations of such as approximation have been identified for a series of applications of interest for aluminum alloy design.MD simulations of this work include two main aspects: 1. Metallic solution modeling and 2. Solidification of aluminum alloys. Systems analyzed for solution modeling were Zr, Al-Cu, Al-Cr, and Al-Ti-Zr. Solid and liquid solutions were evaluated and compared to experiments, first-principles calculations, and other interatomic potentials when available in the literature. Overall, it has been confirmed that the modified embedded-atom method (MEAM) formalism for modeling interatomic interactions is robust enough for describing metallic systems. However, it is not transferable for simultaneous modeling of liquids and anisotropic solids. Its predicting capability is also weakened as more elements are included in a system. Simulations of Zr have shown that there is a strong correlation between unary interactions of a liquid and the allotrope used during potential parametrization. The effect of a reference structure for the Al-Cu interactions has been studied. Three metastable binary compounds were used to show that the universality of MEAM potentials is questionable and highly dependent on the users' compound choice. Modeling of the Al-Cr interactions has demonstrated that the MEAM potential is partially transferable for solution modeling but still robust enough when compared to other interatomic potentials available in the literature. Large-scale MD studies for solidification were concentrated in pure Al, Al-Cr alloys, and Al- Zr-Ti alloys. Simulations for pure Al and Al-Cr alloys have been performed using a Finnis and Sinclair (FS) interatomic potential available in the literature and with a MEAM potential developed in this work. Notably, melting and solidification have been found to be affected by the formalism of the interatomic potential. MEAM potential showed the best predicting capability for primary solidification of the α-FCC phase. Moreover, simulations with the MEAM formalism were in agreement with the icosahedral-enhanced nucleation theory of the α-Al phase in Al-Cr alloys. A clear correlation between the local structure and nucleation was observed. Simulations for the prediction of primary phases within the Al-Cr and Al-Zr-Ti systems were explored. The latter is geared to the precipitation of Al3X (X=Zr,Ti) phases. Precipitation of primary phases other than the FCC and HCP phases was not achieved. MD's limitations for describing the solidification of multi-component systems were discussed. Such restrictions are related to MD's short time/length scales and the missing entropic effects for classical MD simulations. Finally, solidification of Al-Si-Ti-Zr alloys was carried out experimentally. In the same way as in the MD simulations, these experiments were targeted toward the precipitation of Al3X (X=Zr,Ti) intermetallics. An innovative setup based on Porous Disc Filtration Apparatus (PoDFA) technology is presented for the synthesis of primary phases. Si sublattice substitution within Al sites of Al3X (X=Zr,Ti) D022 and D023 intermetallics was quantified. This founding is a benchmark for further refinement of current thermodynamic models stored in the FTlite database of the FactSage software. TEM results showed that Al3X intermetallics acted as nucleant particles for the Al-FCC phase. As such, they can be used for grain refinement purposes in aluminum alloy design.