Experimental and Thermodynamic Study on the Mg-X (X : Ag, Ca, In, Li, Na, Sn, Sr and Zn) Multicomponent Systems

Les alliages de magnésium, considérés à l'heure actuelle comme les plus légers des matériaux métalliques structurels, sont utilisés dans les industries automobile, électronique et aérospatiale. Ils présentent une faible densité, une résistance mécanique par rapport au poids très élevée, de bonnes propriétés de transformation, ainsi que la possibilité d'être recyclés presque complètement. Jusqu'à présent, plusieurs séries d'alliages de magnésium ont été développées pour diverses applications, notamment les séries Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Mn, Mg-terres rares, etc. Ces alliages de magnésium présentent certaines faiblesses, notamment une résistance à la corrosion médiocre, une faible résistance à la déformation à température élevée, ainsi qu'une faible robustesse. Pour toutes ces raisons, il apparait nécessaire d'améliorer les propriétés des alliages actuels en développant de nouveaux alliages à base de magnésium pour répondre à la demande de l'industrie. La technologie de microalliage est largement utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques des alliages. Des recherches récentes montrent que l'ajout de métaux comme Li, Na, Ca, Zn, Ag, Au, Sr et Sn au cours de la fabrication peuvent améliorer les propriétés mécaniques des alliages à base de magnésium. En développant de nouveaux alliages, il est important de comprendre leur constitution (microstructure) et leur comportement thermodynamique. L'obtention de telles informations par le biais des techniques expérimentales est lourde et coûteuse. Les diagrammes de phase, sous forme de graphique visualisant l'état d'équilibre, dans un système, en fonction de la température, de la pression et des constituants, se révèlent être un moyen utile pour la conception et le traitement des matériaux. De plus, la modélisation thermodynamique des systèmes multi-composants par une approche de type CALPHAD (« Calculation of Phase Diagrams ») est un moyen très efficace d'étude des équilibres de phases. Avec l'aide des calculs thermochimiques, non seulement les systèmes binaires et ternaires sont étudiés, mais également les systèmes multi-composants. Dans le cadre de projets en cours dans notre groupe de recherche pour développer une banque de données thermodynamiques des alliages multi-composants à base de magnésium, l'objectif principal du présent travail est d'obtenir des modèles pour les énergies de Gibbs des phases et d'établir une banque de données des paramètres thermodynamiques de ces modèles qui soit cohérente pour le système multi-composant à base de magnésium, avec des éléments comme Ag, Ca, In, Li, Na, Sn, Sr et Zn, afin de fournir une explication à la conception du système des alliages de magnésium, en utilisant la modélisation informatique et des recherches expérimentales. De nombreux systèmes binaires et ternaires du système à composants multiples Mg-X (X: Ag, Ca, In, Li, Na, Sn, Sr et Zn) ont été évalués de façon critique puis optimisés de façon systématique. Premièrement, les mesures des équilibres de phase sur cinq systèmes ternaires du système Mg-Sn-X (X: Ag, Au, Zn, Ca et Sr) ont été effectuées dans le présent travail. Les équilibres de phases dans la région riche en Mg des systèmes ternaires Mg-Sn-In (à 415 oC et à 330 oC), Mg-Sn-Ag (à 415 oC et à 330 oC) et Mg-Sn-Zn (à 300 oC) ont été déterminés par diffraction aux rayons X, microanalyse par sonde électronique, et par des expériences de d'équilibre et de trempe. Les sections isoplèthes ternaires avec 5% In et 10% Sn du système Mg-In-Sn, 10% Sn et 30% Ag du système Mg-Sn-Ag et 10% Sn du système Mg-Sn-Zn, ont été déterminées par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Aucun composé ternaire n'a été retrouvé dans les sections isothermes des systèmes Mg-Sn-In, Mg-Sn-Ag et Mg-Sn-In. Les sections isothermes des systèmes ternaires Mg-Sn-Ca et Mg-Sn-Sr dans la région riche en magnésium à 350 oC et à 415 oC ont été déterminées par analyse dispersive de l'énergie (technique EDS), par microscopie électronique à balayage, et par des essais de trempe. L'existence des phases ternaires MgSnCa et MgSnSr a été confirmée dans cette étude. Deux nouvelles phases ternaires Mg5Sn3Sr et Mg25Sn24Sr14 ont été retrouvées dans les sections isothermes Mg-Sn-Sr à 415 oC et 350 oC. Deuxièmement, la modélisation des propriétés thermodynamiques et des équilibres de phases des 19 systèmes binaires (Mg-In, Mg-Ag, Ag-Zn, Ag-Ca, Ag-Li, In-Na, Na-Sn, Li-Sn, Na-Zn, In-Zn, Sn-Sr, Ca-Li, Ca-Sn, In-Sn, Ca-In, Ca-Na, Ag-In, Ag-Na et Ag-Sn) et des 13 systèmes ternaires (Mg-Sn-X (X: Ag, In, Li, Zn, Ca, et Sr), Mg-Zn-In, Mg-Ag-In, Mg-Ca-Li, Mg-Ca-Sr, Mg-Sn-In et In-Sn-Zn)) a été effectuée dans cette étude. Cette description, basée sur une revue critique de la littérature et l'optimisation de type CALPHAD des paramètres des modèles d'énergie de Gibbs des phases, s'est focalisée sur les propriétés du solide (composés intermétalliques, formes cristallographiques, températures de fusion, enthalpie de formation, températures de transition de phases, etc.) et du liquide (enthalpie de mélange intégrale, enthalpie de mélange partielle, activités des composants, capacités calorifiques, solubilités du solide, etc.) ainsi que sur les données expérimentales des diagrammes de phases. Le modèle Quasichimique Modifié par Approximation de Paires (MQMAP) a été appliqué à la solution liquide qui a montré un degré élevé d'ordonnancement à courte distance. Les phases solides ont été modélisées à l'aide du formalisme basé sur l'énergie des composés (Compound Energy Formalism). Une banque de données thermodynamiques cohérente contenant les paramètres des modèles de chaque phase a été établie pour les systèmes multi-composants Mg-X(X: Ag, Ca, In, Li, Na, Sn, Sr et Zn). Troisièmement, quelques applications de la banque de données thermodynamiques sont présentées. De plus, les études expérimentales de formabilité du verre métallique des alliages Mg-Zn-X (Ag, Sr, In, etc) sélectionnés, pour des applications avec la présente banque de données thermodynamiques, ont été effectuées avec la collaboration de Mr. Yi-Nan Zhang de l'Université de Concordia. Les équilibres de phase Mg-Zn-Sr à 300 oC dans l'intervalle 0-30 % Sr ont été mesurés par des méthodes d'échantillonnage et de diffusion des couples d'échantillons. Quatre nouveaux composés ternaires ont été retrouvés dans cette section isotherme. La formabilité du verre des deux séries d'alliages Mg-Zn-Sr, de composition Mg88-xZnxSr2 (28≤x≤38) et Mg85-yZnySr5 (23≤y≤37) a été étudiée expérimentalement dans ce travail. La banque de données thermodynamiques des systèmes multi-composants Mg-X (X: Ag, Ca, In, Li, Na, Sn, Sr and Zn) fournira une ligne directrice claire pour la sélection et la conception des alliages à base de magnésium, ce qui permettra d'éviter des expériences improductives portant sur des alliages qui ont moins de potentiels pour des applications pratiques.