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.

Abstract

Advances in material design and production processes had and continue to have a significant impact on human civilization throughout history. In fact, the large scale production of high quality steel which was made possible by innovative production methods was one of the drivers of the industrial revolution of the 19th century. Similarly, the development of new production methods for aluminum was critical for the rapid progress in the field of aeronautics during the 20th century. The aluminum industry, like many others, faces multiple new challenges at the beginning of this 21st century. The global demand for aluminium and its alloys keeps increasing because of its interesting mechanical properties compared to the low weight of the metal. The controlled addition of alloying elements in aluminum allows further specialization of the metal through enhancement of certain properties. On the other hand, the presence of impurities, even in small quantities, can negatively impact the mechanical properties and result in an inferior metal. The aluminum making industry therefore has an interest in understanding the impact of elements in an alloy and in the control of the alloy composition. Alloying elements and impurities influence mechanical properties through the formation of intermetallic phases in the microstructure of the aluminum alloy. Such phases are stable combinations of multiple elements and their formation is contingent on multiple factors such as the composition, the pressure and the temperature. It is more likely than not that multiple phases will be in equilibrium in an alloy. Because alloys can have specifications for more than ten elements, the total number of phases to account for can be quite significant. The use of computer programs, such as FactSage, becomes necessary to predict the final phase assemblage for a certain alloy composition. These programs use databases containing all the information necessary for the calculation of thermodynamic properties and phase diagrams using an algorithm for Gibbs energy minimization. This work is part of the larger project of the Virtual Laboratory for the aluminum industry, or VLAB, for the construction of a thermodynamic database. In particular, the focus is on the description of phases that are critical to the aluminum industry. A literature review was performed on heat-treatable wrought aluminum alloys and their important phases. The search for crystallographic and thermodynamic information, such as calorimetric and phase diagram data, available in the literature is an important part of this work. In the absence of measurements, data from first principles studies were also accepted. In this work, three phases were studied using experimental and numerical approaches.