Optimisation par voie métallurgique des performances mécanique et électrique d'alliages de métaux nobles

Optimization by metallurgical processes of mechanical and electrical performances for nobles metals alloys

• Auteur / Autrice : Solène Iruela
• Direction : Yannick Champion, Annie Antoni-Zdziobek, Fabien Volpi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 03/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Véron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Thilly, Emmanuel Cini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Couzinié, Olivier Dezellus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés électriques

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Métaux nobles

Propriétés mécaniques

Propriétés électriques

Étude thermodynamique système Ag-Cu-Pd

Mechanical properties

Nobles metals

Electrical properties

Thermodynamic study of the Ag-Cu-Pd system

Résumé

La gamme de produits fils fins commercialisée par METALOR est basée sur des alliages d’argent, de cuivre et de palladium à hautes performances électrique et mécanique, à l’exemple du produit NOVAE1 qui présente une résistance mécanique de 1,3 GPa et une conductivité électrique de 17 % IACS. L’objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes métallurgiques à l’origine de ces caractéristiques et de les mettre à profit afin de proposer une nouvelle gamme d’alliage à conductivité améliorée tout en conservant une résistance mécanique élevée. L’étude préliminaire menée sur le système binaire Cu-Pd met en évidence la présence de la phase βCuPd en-dessous de 600°C, dont la conductivité électrique est évaluée à 30 % IACS. Cette phase est mise en évidence expérimentalement dans le fil fin NOVAE1 et sa formation est associée à une augmentation de la conductivité de 8 % IACS. Ce pourrait donc être une réponse prometteuse pour le développement des nouveaux alliages. Des expériences ciblées ont été menées sur sept nuances d’alliages élaborés et recuits pendant plusieurs mois à 727 °C et 550 °C et caractérisés ensuite par microsonde, DRX et MEB. Ces nouvelles données permettent d’affiner la description thermodynamique du système ternaire Ag-Cu-Pd, en particulier de la lacune miscibilité, constituée des deux solutions solides cfc α1 et α2 et de l’extension de la phase βCuPd dans le système ternaire. La caractérisation multi-échelle du fin fil NOVAE1 met évidence la structure complexe, triphasée et nanostructurée de l’échantillon. Ces observations permettent la mise au point de modèles phénoménologiques des propriétés mécanique et électrique des fils en considérant une matrice constituée de phase α1 riche en Ag, associée à une phase molle dans laquelle sont incluses des domaines de phases dures riches en Cu et Pd, α2 et βCuPd. Les caractéristiques du fil sont ainsi évaluées en fonction de leur composition chimique. Cela met en évidence les paramètres clés du système : proportions de phases, tailles de grains, module élastique de la phase molle et propriétés électriques des phases.

The range of fine wire products marketed by METALOR is based on silver, copper and palladium alloys with high electrical and mechanical performance, such as the NOVAE1 product which has a mechanical strength of 1.3 GPa and an electrical conductivity of 17 % IACS. The objective of this study is to understand the metallurgical mechanisms behind these characteristics and to take advantage of them in order to propose a new range of alloys with improved conductivity while maintaining high mechanical strength. The preliminary study carried out on the Cu-Pd binary system highlights the presence of the βCuPd phase below 600 °C, whose electrical conductivity is estimated at 30 % IACS. This phase is experimentally highlighted in the NOVAE1 fine wire and its formation is associated with an 8 % IACS increase in conductivity. It could therefore be a promising answer for the development of new alloys. Targeted experiments were carried out on seven grades of alloys developed and annealed for several months at 727 °C and 550 °C and then characterized by microprobe, XRD and SEM. These new data allow to refine the thermodynamic description of the Ag-Cu-Pd ternary system, in particular the miscibility gap, consisting of the two solid solutions cfc α1 and α2 and the extension of the βCuPd phase in the ternary system. The multi-scale characterization of the fine NOVAE1 wire highlights the complex, three-phase and nanostructured structure of the sample. These observations allow the development of phenomenological models of the mechanical and electrical properties of the wires by considering a matrix consisting of an Ag-rich α1 phase, associated with a soft phase in which are included hard phase domains rich in Cu and Pd, α2 and βCuPd. The wire characteristics are thus evaluated according to their chemical composition. This highlights the key parameters of the system: phase proportions, grain sizes, elastic modulus of the soft phase and electrical properties of the phases.