Thèse soutenue

Étude métallurgique d'alliages intermétalliques Fe₃Al-Cu élaborés par fonderie

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Auteur / Autrice : Hélène Quehen
Direction : Benoit AppolaireJulien Zollinger
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences des matériaux
Date : Soutenance le 18/12/2023
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
Jury : Président / Présidente : Éric Fleury
Examinateurs / Examinatrices : Benoit Appolaire, Julien Zollinger, Marie-Laurence Giorgi, David Balloy, Maria Rosa Ardigo
Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Laurence Giorgi, David Balloy

Résumé

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Le développement des alliages métalliques complexes, dont les HEA sont un parangon, requiert de connaître à minima la nature des phases sur l'ensemble des diagrammes de phase multiconstitués, tout du moins au-delà de la proximité des systèmes binaires sur lesquels ils s'adossent. Le système Fe-Al-Cu est un des systèmes ternaires importants, même si son étude s'est surtout concentrée sur le coin riche en Al pour sa propension à former des phases quasi-cristallines. Dans ce contexte, et en vue de compléter les connaissances dans les régions intermédiaires entre Fe₃Al et Cu₃Al plus rarement explorées, nous avons réalisé une étude de caractérisation d'un ensemble d'alliages élaborés par fonderie, et soumis à des traitements thermiques généralement utilisés pour optimiser les propriétés des intermétalliques Fe₃Al. Dans un premier temps, nous avons complété les sections ternaires à 600°C et 700°C et mis en évidence des différences quantitatives avec les diagrammes de la littérature sur les frontières du domaine triphasé FeAl/Cu₃Al/Cu₉Al₄. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à des alliages se répartissant sur les axes Fe-28Al-XCu (X = 15, 20 et 25%at.) et Fe-XAl-15Cu (X = 20 et 30%at.). Nous en avons caractérisé les microstructures à l'état brut de solidification et après différents traitements thermiques, par microscopies électroniques (à balayage et à transmission) et diffraction des rayons X (de laboratoire et hautes énergies). Nous avons mis en évidence la présence quasi systématique de deux phases intermétalliques : Fe₃Al et Cu₃Al 18R, issue de la transformation martensitique des régions riches en Cu. Leur proportion est inversée suivant la position dans la microstructure générée par l'étape de solidification : alors que Cu₃Al peuple plaquette répartis au cœur des dendrites constituées majoritairement de Fe₃Al, on observe dans les zones interdendritiques riche en cuivre des précipités cuboïdaux de Fe₃Al dispersés dans une matrice Cu₃Al. Il apparaît que les traitements thermiques habituellement appliqués aux alliages Fe₃Al ne changent pas fondamentalement cette microstructure, si ce n'est qu'ils tendent à globulariser les différents domaines riches en Cu.