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

Benali, Anouar. Etude ab initio d'alliages AlCu : phénomènes de ségrégation et modification de la réactivité de surface vis-à-vis de O. PhD, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2010

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Official URL: http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00001647/

Abstract

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.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution: Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT
Laboratory name:
Research Director:
Lacaze-Dufaure, Corinne and Morillo, Joseph
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Deposited By: admin admin
Deposited On:21 Nov 2012 12:37

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