Développement d'une base de données thermodynamiques pour les alliages d'aluminium au moyen de simulations atomistiques et d'expériences de DSC

Le développement de matériaux avancés et de leurs procédés de production a eu, et continue d’avoir, un impact important sur la civilisation humaine à travers l’histoire. En effet, la production à grande échelle d’acier de haute qualité utilisant des méthodes de production innovantes a propulsé la révolution industrielle du 19e siècle qui est à l’origine de la société moderne actuelle. De même, le développement des méthodes de production d’aluminium a été critique pour les avancées dans le domaine aéronautique au courant du 20e siècle. L’industrie de l’aluminium, comme plusieurs autres, fait face à plusieurs défis au début de ce 21e siècle. La demande mondiale pour l’aluminium est en constante croissance en raison des propriétés mécaniques spécifiques intéressantes de celui-ci comparativement à d’autres alliages tels que les aciers. L’addition contrôlée d’éléments d’alliage dans l’aluminium permet de moduler ces propriétés pour diverses utilisations. À l’opposé, la présence d’éléments sous la forme d’impuretés, même en faible quantité, peut affecter négativement plusieurs propriétés mécaniques et physico-chimiques. Il est ainsi dans l’intérêt des industries de contrôler la composition des alliages et de déterminer l’impact des impuretés sur le produit final. Les éléments d’alliage et les impuretés affectent les propriétés de l’aluminium en formant notamment des phases intermétalliques dans la microstructure du matériau métallique résultant. Ces phases sont des combinaisons d’éléments et leur formation dépend de plusieurs conditions thermodynamiques telles la composition, la température et la pression ainsi que des considérations cinétiques (associées à la vitesse de refroidissement et les temps de traitement thermique par exemple). Par ailleurs, il est commun que plusieurs phases coexistent dans un matériau. Les alliages d’aluminium pouvant contenir plus d’une dizaine d’éléments, l’utilisation d’outils de thermodynamique numérique comme FactSage devient ainsi nécessaire pour prédire l’assemblage de phases formé pour diverses séries d’alliage exposées à différentes conditions d’équilibre. Ces programmes reposent sur des bases de données contenant toute l’information nécessaire pour le calcul de propriétés thermodynamiques et/ou de diagrammes de phases à l’aide d’un algorithme de minimisation de l’énergie de Gibbs. Ce travail fait partie d’un projet de recherche plus large intitulé a Virtual Laboratory for the aluminum industry, ou VLAB, dont l’un des principaux objectifs est d’élaborer une base de données thermodynamiques pour décrire les alliages de métaux légers. Une attention particulière est portée sur la modélisation thermodynamique de phases intermétalliques critiques lors de l’élaboration d’alliages.