Etude ab initio d'alliages AlCu : phénomènes de ségrégation et modification de la réactivité de surface vis-à-vis de O

Ab initio study of Al/Cu alloys : segregation phenomena and modication of the surface reactivity towards oxygen

• Auteur / Autrice : Anouar Benali
• Direction : Corinne Lacaze-Dufaure, Joseph Morillo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie théorique
• Date : Soutenance le 03/12/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés libres

Adsorption

Alliages de surface

Aluminium

Cuivre

Dft

Énergie de surface

Réactivité de surface

Surface Al (100)

Surface Al (111)

Ségrégation de Cu

(111) Al surface

(100) Al surface

Adsorption

Aluminum

Copper

Cu segregation

Dft

Surface alloys

Surface energy

Surface reactivity

Résumé

En présence d'éléments d'alliage, l'aluminium présente d'excellentes propriétés mécaniques, obtenues grâce à un durcissement structural (alliages Al/Cu/Mg). Ces alliages constituent ainsi des matériaux largement utilisés dans le domaine de l'aéronautique. De plus, l'aluminium possède la capacité à former en présence d'oxygène un oxyde très stable qui conduit à des revêtements utilisables à hautes températures et présentant une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion dans un environnement agressif. Vu les enjeux économiques associés à ces propriétés, la compréhension des phénomènes à l'origine de la formation et de la microstructure des dépôts ainsi que l'influence de la présence du cuivre dans une surface d'aluminium sur l'adsorption de l'oxygène méritent d'être approfondie. Les deux axes principaux de l'étude théorique que nous présentons sont l'étude de la ségrégation du cuivre dans l'aluminium et l'étude de l'adsorption de l'oxygène atomique sur des surfaces d'alliages Al-Cu. La théorie de la fonctionnelle de la densité est actuellement la méthode ab initio la plus adaptée pour accéder aux propriétés énergétiques et électroniques de ces systèmes. Pour une concentration massique en Cu inférieure à 4%, le diagramme des phases expérimentale Al/Cu montre la formation d'une solution solide α. Une augmentation de la concentration en cuivre entraine la précipitation de cuivre sous la forme de zones de Guinier-Preston1 et 2 (GP1 et GP2) puis du premier composé déni Al2Cu (θ' métastable, puis θ stable). Nos calculs montrent que pour des phases à des concentrations en cuivre inférieures à 4%, une tendance à la formation d'une solution solide est observée en accord avec le diagramme des phases expérimentale. Nous discutons la stabilité d'alliages ordonnés Al/Cu en fonction de l'orientation de la surface, de la concentration en atomes de cuivre et de leur position par rapport à la surface. Les systèmes étudiés sont constitués d'une couche d'alliage dans un massif d'aluminium. Des atomes de cuivre sont dans un premier temps substitués à l'aluminium en surface. Cette couche est par la suite enterrée dans le massif. Les énergies de ségrégation calculées indiquent que le système est plus stable quand les couches d'alliage sont enterrées proche de la surface. La même tendance est observée pour les zones de GP1 et GP2, modélisées par des agrégats de 3 atomes de cuivre orientés selon la direction (100) dans l'aluminium (111). La substitution d'une monocouche complète de cuivre dans une surface Al(100) montre quant à elle une ségrégation du cuivre loin de la surface. L'ensemble des résultats indique clairement que les propriétés géométriques et énergétiques des systèmes Al/Cu sont nettement dominées par une tendance préférentielle du cuivre à ségréger proche de la surface Al(111). Les surfaces nues ayant été étudiés, nous nous sommes ensuite intéressés à l'adsorption de cuivre puis d'oxygène atomiques. Nous avons mis en évidence l'adsorption thermodynamiquement favorisée du cuivre en positions cfc, hcp et ponté sur une surface Al(111). L'adsorption est liée à un fort transfert électronique de la surface du matériau vers l'adsorbat. Ce comportement est encore plus fort dans le cas de l'adsorption de l'oxygène sur l'aluminium pur. En présence de cuivre, l'énergie d'adsorption de l'oxygène est fortement réduite (déstabilisation du système). Ce phénomène est d'autant plus important que le cuivre sera proche de la surface d'aluminium et donc de l'adsorbat. Hormis la répulsion électrostatique, nous n'observons néanmoins aucune interaction entre l'atome de cuivre et l'atome d'oxygène. La diminution de l'énergie d'adsorption de l'oxygène résulte essentiellement de la compétition entre les transferts électroniques vers le cuivre et l'oxygène à partir de la surface de l'aluminium.

Aluminum is often alloyed to modify some of its intrinsic properties and various treatments such as precipitation hardening are needed to improve its mechanical properties (Al/Cu/Mg alloys). The properties of these alloys are not due simply to their chemical composition but are particularly influenced by the involved phases and the alloy microstructure. Copper-aluminum alloys that have good mechanical properties are the most used alloys in the aeronautical field. Aluminum has also the capacity to form a very stable oxide. Thus, it leads to high temperature resistant coatings with good resistance to oxidation and corrosion in aggressive environments. Therefore, investigating the origins of the microstructure and the formation of the clusters as well as the influence of the copper atoms in the aluminum surface, on the oxygen adsorption is of crucial importance to comprehend these phenomena at larger scales. This study investigates theoretically in one hand, the copper segregation in aluminum and on the other hand, oxygen adsorption on Al-Cu surface alloys. This work is carried out in the framework of the density functional theory, which is at the moment the most adapted ab initio method to deal with the structural and electronic properties of these systems. According to the Al/Cu equilibrium phase diagram, at Cu atomic concentration lower than 4%, one is in presence of a solid solution α. When increasing the Cu concentration in the Al matrix, the Cu first precipitate within the bulk into Guinier-Preston1 and 2 (GP1 et GP2) zones and that later transformed to Al2Cu (metastable θ' and stable θ phases). At low copper concentration (<4%at.), we observe a tendency to the formation of a solid solution at T=0 K. We investigated surface alloys properties for varying compositions of a Cu doped Al layer in the Al (111) surface then buried in the slab. Calculated segregation energies show that the systems are more stable when the Cu doped layer is buried close to the surface. The same results are observed for first stage formation of GP zones, modelled by doping Al (100) layers with Cu clusters in a Al (111) slab. However the segregation of a full copper (100) monolayer in an Al (100) matrix shows a copper segregation deep in the bulk. Our results fit clearly into a picture of energetics and geometrical properties dominated by preferential tendency to Cu-clustering close to the Al (111) surface. Clean surfaces being fully described, we studied the adsorption of copper and oxygen atoms on clean Al (111) surface. We highlight a thermodynamically favoured adsorption of copper atoms on Al (111) surface upon fcc, hcp and bridge adsorption hollow-sites. The adsorption is related to the electronic transfer from the surface towards the adatom. The adsorption is even stronger when adsorbing oxygen on Al (111) surface. Nevertheless, in the presence of copper, the oxygen adsorption energy is weaker (destabilization of the system). The energy decrease is even more important as the copper is close to the surface, hence the adatom. Aside from the electrostatic repulsion, we observe no interaction between the copper and the oxygen atoms. The adsorption energy diminution is essentially due to the competition between the electronic transfers towards the copper and the oxygen from the aluminum surface.