• Langue : Français
• Discipline : Milieux denses, matériaux et composants
• Identifiant : 2022ULILR046
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 14/11/2022

Résumé en langue originale

Le contrôle granulométrique des alliages d'aluminium permet de garantir de bonnes propriétés mécaniques. En présence d'une phase de renfort telle que TiB2, ces propriétés sont directement influencées par les interfaces cohérentes respectant certaines relations d'orientations. Dans ce contexte, les objectifs de notre travail étaient (i) de parvenir à une description suffisamment fiable des interfaces Al|TiB2 incluant une évaluation de leurs énergies, (ii) de préciser les caractéristiques volumiques des phases Al-B-Ti qui peuvent influencer les propriétés interfaciales. La compréhension des mécanismes sous-jacents restant difficile par les techniques expérimentales à l'échelle atomique, nous avons opté pour une approche reposant sur des simulations numériques à cette échelle, essentiellement avec des calculs ab initio.La première partie de ce travail porte sur l'étude des propriétés des interfaces hétérophases Al|TiB2. En se concentrant sur les interfaces basales Al|TiB2, notre analyse a permis de clarifier diverses ambiguïtés présentes dans la bibliographie. Tout d'abord, nous avons pris soin de prendre rigoureusement en compte le rôle de l'élasticité, dont l'effet a été le plus souvent négligé dans les travaux antérieurs sur Al|TiB2. De plus, un autre point critique concerne les incertitudes des énergies d'interfaces ainsi calculées, en raison de la connaissance insuffisante des potentiels chimiques des éléments présents dans les phases ordonnées impliquées. Nous avons également clarifié ce point par une analyse rigoureuse assurant la stabilité de TiB2 et l'absence d'autres phases indésirables. Enfin, la comparaison des divers systèmes utilisés pour la simulation des interfaces hétérophases a permis de conclure que les conditions aux limites périodiques doivent être préférées, puisque les conditions aux limites en surfaces libres, surtout utilisées dans les travaux précédents, ont conduit à des résultats moins fiables. Dans ces conditions, les énergies d'interfaces obtenues à l'aide de notre méthodologie retrouvent un accord satisfaisant avec la gamme de valeurs attendue pour des interfaces cohérentes. Notre approche pourrait être appliquée avec fruit à d'autres systèmessouffrant actuellement des mêmes déficiences (Al|SiO2, Mg|TiB2, Al|Mg5Si6).Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous avons étudié les propriétés volumiques des phases Al-B-Ti pertinentes pour les interfaces précédentes, notamment TiB2 et AlB2. À cette fin, nous avons déterminé les propriétés thermodynamiques de ces phases via l'ADPI (approximation des défauts ponctuels indépendants). Nous avons d'abord réalisé une étude détaillée du composé TiB2, incluant les effets de la température, des interstitiels et de l'aluminium. Nous avons montré que les lacunes de Ti et de B sont les défauts majoritaires, que les interstitiels n'ont aucun effet sur les propriétés thermodynamiques de ce composé, et que Al est présent en substitution dans TiB2, cette présence étant limitée aux composés riches en B. Après avoir complété cette étude des borures métalliques par une brève analyse de la solution solide de Ti et B dans Al, nous avons pu construirepartiellement le diagramme de phases ternaire Al-B-Ti à 1000 K, notamment dans le domaine biphasé (Al)+TiB2. Dans ce domaine, nous avons mis en évidence une structure caractéristique de conodes en "double éventail", fournissant ainsi des informations complémentaires à celles obtenues précédemment par des simulations thermodynamiques phénoménologiques (approche CALPHAD).

Résumé traduit

The grain-size control of aluminum alloys ensures good mechanical properties. In presence of are inforcing phase such as TiB2, these properties are directly influenced by the coherent interfaces respecting specific orientation relationships. In this context, the objectives of our work were (i) to achieve a sufficiently reliable description of the Al|TiB2 interfaces including an evaluation of their energies, (ii) to specify the bulk characteristics of the various Al-B-Ti phases which can influence the interfacial properties. The understanding of the underlying mechanisms being difficult by experimental techniques at atomic scale, we have opted for an approach based on numerical simulations at this scale, mainly using ab initio methods.The first part of this work deals with the study of the properties of heterophase Al|TiB2 interfaces. By focusing on basal Al|TiB2 interfaces, our analysis allowed to clarify various uncertainties found in the bibliography. Firstly, we have taken care to rigorously consider the role of elasticity, whose effect has been mostly neglected in previous works on Al|TiB2. Moreover, another critical point concerns the uncertainties of these previously calculated interface energies, due to the insufficient knowledge of the chemical potentials of the elements present in the involved ordered phases. We have also clarified this point by a rigorous analysis ensuring the stability of TiB2 and the absence of other undesirable phases. Finally, the comparison of the different systems used for the simulation of heterophase interfaces allowed us to conclude that periodic boundary conditions should be preferred, since free surface boundary conditions, mostly used in previous works, lead to less reliable results. Under these conditions, the interface energies obtained using our methodology recover a satisfactory agreement with the range of values expected for coherent interfaces. Our approach could be fruitfully applied to other systems currently suffering from the same deficiencies (Al|SiO2, Mg|TiB2, Al|Mg5Si6).In the second part of this thesis, we have investigated the bulk properties of the various Al-B-Ti phases relevant for the previous interfaces, in particular TiB2 and AlB2. To this end, we have determined the thermodynamic properties of these phases via the IPDA (independent point defect approximation). We first performed a detailed study of the TiB2 compound, including the effects of temperature, interstitials, and aluminum. We have shown that Ti and B vacancies are the major defects, that interstitials have no effect on the thermodynamic properties of this compound, and that Al is present in substitution in TiB2, this presence being limited to B-rich compounds. After completing this study of metal borides by a brief analysis of the solid solution of Ti and B in Al, we were able to partially build the Al-B-Ti ternary phase diagram at 1000 K, in particular in the two-phase domain (Al)+TiB2. In this domain, we have highlighted a characteristic "double fan" tie-line structure, thus providing complementary information to those previously obtained byphenomenological thermodynamic simulations (CALPHAD approach).