Les composés intermétalliques
Un alliage forme un intermétallique à certaines compositions et sous certaines conditions de pression. Il s’agit d’une alternance d’atomes qui forment une structure périodique. Les intermétalliques se forment lorsque les atomes de l’alliage ont une forte différence d’électronégativité; la densité électronique devient alors hétérogène, la liaison n’est plus strictement métallique mais devient partiellement covalente ou ionique. Leur stabilité dépend de différents facteurs: facteur de valence (ou de concentration électronique), facteur de taille, facteur électrochimique (différence d’électronégativité).
Les composés intermétalliques sont une classe de matériaux avancés qui peuvent être définis comme une phase ordonnée formée de deux ou plusieurs éléments métalliques. Une phase d’alliage est ordonnée si deux sous réseaux ou plus sont requis pour décrire la structure atomique. Cette structure ordonnée est avantageuse si elle possède un ordre de longue portée (long-range order) avec la difficulté accompagnatrice dans le mouvement des dislocations. Ces facteurs engendrent des propriétés importantes à haute température; telles que la robustesse et la rigidité. Mais cet ordre de longue portée a également, comme conséquences, de faibles propriétés telles que la basse ductilité et la dureté de rupture, dues à la basse mobilité des dislocations à température ambiante.
Les principaux candidats pour l’utilisation à haute température sont les aluminures des métaux de transitions, tels que les aluminures de fer, de nickel et de titane, qui maintiennent de bonnes propriétés mécaniques à de telles températures. Les composés intermétalliques tels que Ni3Al, NiAl, TiAl, et Ti3Al pourraient être utilisés comme matériaux de structures mécaniques à haute température. Actuellement, certains éléments de turboréacteurs fabriqués en alliages de Ni3Al, de TiAl et de Ti3Al sont sous tests en dimensions réelles, particulièrement, les composants en alliages de Ti3Al sont déjà utilisés en pratique.
Les composés trialuminures
Les composés riches en Aluminium avec les métaux de transition (TM) ont attiré une grande attention dans le domaine spatial, aérien, et dans l’industrie automobile. Ceci est dû au besoin des matériaux de construction à rendement élevé. Les trialuminures (Al3TM) sont parmi les candidats les plus prometteurs, notamment, les composés avec les trois premiers éléments de transition (Sc Ti, V) sont d’intérêt pour les applications des structures à faible poids.
Intérêt et applications des composés trialuminures : Les composés trialuminures se distinguent des autres matériaux par leurs propriétés remarquables tels que: la basse densité, la bonne conductivité thermique, le point de fusion élevé, la résistance suffisante au fluage, la grande robustesse spécifique , la résistance à l’oxydation, la basse diffusion et la solubilité dans l’aluminium,..etc. Les trialuminures sont compétitifs aux superalliages actuellement utilisés à base de Ni . Cependant, les trialuminures sont extrêmement fragiles à basse température. Cet inconvénient limite leurs applications pratiques. Actuellement des efforts expérimentaux considérables sont déployés visant à rendre ces composés ductiles à la température ambiante. Ductilité des trialuminures : Les trialuminures manquent de ductilité à basse température ce qui limite leurs applications en industrie. De grands projets de recherche ont été consacrés à l’étude de ces matériaux pour la compréhension de leurs propriétés structurales, électroniques et élastiques. La structure D022 est caractérisée par un nombre réduit de symétries (16 opérations), ce qui est souvent considéré comme la raison principale de la faible ductilité des composés Al3 (Ti, V). Leur faible ductilité est probablement associée au nombre insuffisant de systèmes de glissement en agrégats polycristallins. En revanche, la structure L12 possède une symétrie plus élevée et par conséquent un plus grand nombre de systèmes de glissement; ce qui est à l’origine d’une meilleure ductilité. Par conséquent des tentatives ont été effectuées pour transformer la structure D022 en L12 par l’addition des éléments ternaires . Cependant, des résultats préliminaires pour le composé Al3Sc (L12) ne sont pas encourageants. Le composé Al3Sc (L12) se fracture d’une façon extrêmement fragile par le fendage trans-granulaire selon le plan {110}. Le composé Al3Ti dans la phase(L12) ne présente pas également une ductilité élevée, ainsi que la phase Al3V (L12) n’est pas encore produite jusqu’à présent. L’expérience a prouvé que la simple conversion de D022 en L12 ne mènera pas à une bonne ductilité des trialuminides, une meilleure compréhension des mécanismes intrinsèques entraînant leur fragilité est nécessaire.
Diagrammes de phase
Système Al-Ti : Les composés intermétalliques dans le système Al-Ti sont particulièrement prometteurs pour les applications aérospatiales car ils possèdent d’excellentes propriétés à hautes températures. Plusieurs recherches ont été orientées vers des essais qui ont pour but d’améliorer la ductilité des composés AlTi, et A13Tisans altérer les autres excellentes propriétés mécaniques. Nous observons que pour des compositions inférieures approximativement à 10 % d’Al, la phase α-Ti (hc) est à l’équilibre. A haute température, cette dernière se transforme en phase β-Ti (cc). Pour des compositions entre 25 et 35 % d’Al, la phase α2(AlTi3) qui se forme dans la structure D0l9, s’avère stable. Pour de plus grandes concentrations d’Al, les phases d’équilibre se produisent en structures de base cubique à face centrée (cfc). En particulier, les composés γ(AlTi) se forment dans la structure L10 et sont stables sur une gamme prolongée de compositions. A 75 % d’Al, la structure D022 n’est stable que dans une gamme très petite de compositions. D’autre part, le diagramme de phase dans la gamme de compositions d’Al comprise entre 55 et 75 % a été longuement l’objet de plusieurs études et discussions , à cause des transformations très compliquées de la phase L10 aux structures fortement ordonnées, telles que TiAl2 (C12: Ga2Zr type), Ti3Al5 (oP4: Ti3Al5-type), …etc.
Structure cristalline des composés trialuminures
Les composés des tri aluminures avec les métaux de transition (Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta) adoptent habituellement les structures ordonnées basées sur la structure cubique à faces centrées (cfc): cubique (L12), ou tétragonale (D022, D023). Les composés Al3Y et Al3La cristallisent dans la structure hexagonale ordonnée D019 qui peut être dérivée de la structure hexagonale compacte (hc).
Structure D022 : Les composés Al3V et Al3Ti se cristallisent dans la structure tétragonale D022 (type-Al3Ti). Le groupe d’espace est I4/mmm (N° 139). La cellule élémentaire se compose de deux édifices (unités) cubiques à faces centrées rangés selon la direction (OZ) (Figure I-3).Dans le plan Z=0 les atomes des métaux de transition occupent les sommets de la maille et ceux d’Aluminium occupent les centres des faces. Dans le plan Z=0.5 l’arrangement des atomes est inversé. Les plans Z=0.25 et Z=0.75 sont occupés par les atomes d’Aluminium.
Structure L12 : Dans la structure L12 (type-Cu3Au) le groupe d’espace est Pm3m (N° 221). Tous les atomes occupent les sites de la structure cubique à faces centrées . Les atomes des métaux de transition occupent les sommets du cube et les atomes d’Aluminium occupent les faces du cube. Dans cette orientation habituelle, on remarque un empilement -ABAB- des plans A et B; le plan A contient les atomes Al et ceux des métaux de transition (TM) par contre le plan B contient les atomes d’Al seulement .
Etude des composés trialuminures
Les propriétés structurales et électroniques des composés trialuminures ont été déterminées par plusieurs méthodes théoriques. La méthode linéaire des orbitales Muffin-Tin (LMTO) dans l’approximation (ASA) (Atomic Sphere Aproximation) a été utilisée par Hong et al. pour étudier le composé Al3Ti, et par Xu et al pour étudier les composésAl3Sc et Al3Zr. Clouet et al [27] ont étudié la solubilité de Zr dans Al par la méthode FP-LMTO. Cette dernière a été utilisée par Asta et al pour traiter le système Ti-Al. Utilisant la méthode du pseudopotentiel, Colinet et al ont étudié les composés Al3Ti , Al3Hf et Al3Zr En 2002 Krajèí et Hafner ont effectué une étude détaillée de la structure électronique du composé Al3V . Ils ont montré l’existence d’une hybridation forte entre les orbitales Al(s, p) et V (d) responsables de la formation d’un pseudogap profond près du niveau de Fermi, cette hybridation est également à l’origine de la formation des liaisons covalentes. Jahnátek et al ont analysé les liaisons inter-atomiques pour les composés Al3V et Al3Ti dans les deux structures D022 et L12. Récemment Jahnátek et al ont étudié l’anisotropie de tension dans la limite d’élasticité des composés Al3 (Sc, Ti, V, Cr) dans les structures D022 et L12. Ils ont étudié la réponse des trialuminides Al3 ( Sc, Ti, V) à la déformation de tension uniaxiale selon la direction.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I- Les composés trialuminures
I-1. Les composés intermétalliques
I-2. Les composés trialuminures
I-2. 1. Intérêt et application des composés trialuminures
I-2. 2. La ductilité des trialuminures
I-3. Diagrammes de phase
I-3. 1. Système Al-Ti
I-3. 2. Système Al-V
I-4. La structure cristalline des composés trialuminures
I-4. 1. La structure D022
I-4. 2. La structure L12
I-5. Propriétés électroniques
I-5.1. Pseudogap
I-5.2. Liaisons covalentes
Références
Chapitre II- La théorie de la densité fonctionnelle
II-1. Introduction
II-2. Approximation de Born-Oppenheimer
II-3.Approximation de Hartree-Fock
II-4. La théorie de la fonctionnelle de la densité
II-4. 1. Les théorèmes Hohenberg et Kohn
II-4. 2. Equation de Kohn et Sham
II-4. 3. Approximation de la densité locale (LDA)
II-4. 4. Approximation de gradient généralisé
II-4. 5. La résolution des l’équations de Khon et Sham
Références
Chapitre III- La méthode linéaire des ondes planes augmentées et linéarisées FP-LAPW
III-1. Introduction
III-2. La méthode des ondes planes augmentées (APW)
III-3. La méthode LAPW
III-3-1. Le rôle d’énergie de linéarisation El
III-3-2. Construction des fonctions radiales non relativistes
III-3-3. Détermination des coefficient Alm et Blm
III-3-4. Détermination des potentiels
III-3-4-1. La résolution de l’équation de Poisson
III-3-4-2. Le potentiel d’échange et de corrélation
III-4. Le concept de la méthode FP-LAPW
III-5. Le code Wien 2K
Références
Chapitre IV- Résultats et discussions
IV-1. Détails de calcul
IV-2. Test de convergences
IV-3. Propriétés structurales
IV-3. 1. Calcul de l’énergie totale
IV-3. 2. Enthalpie de formation
IV-4. Propriétés électroniques
IV-4.1. Structure de bandes
IV-4 .2. Densité d’états
IV-4.3. La densité de charge
IV-5. Propriétés thermodynamiques
IV-5. 1. Le modèle quasi harmonique
IV-5. 2. Résultats et discussions
Références
Conclusion générale
