The effect of minor alloying elements (Mg, Ag, Zn) on the nucleation and precipitation behaviour in AlCuLi alloys

par Eva Maria Gumbmann

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Alexis Deschamps et de Frédéric De Geuser.

Le président du jury était Anna Fraczkiewicz.

Le jury était composé de Alexis Deschamps, Frédéric De Geuser, Thierry Epicier.

Les rapporteurs étaient Aude Simar, Myriam Dumont.

  • Titre traduit

    L’effet des éléments mineurs (Mg,Ag,Zn) sur la germination et la précipitation de la phase T1 dans des alliages AlCuLi


  • Résumé

    Les alliages Al-Cu-Li sont particulièrement attractifs pour les applications aéronautiques du fait de leur faible densité, haute limite d'élasticité et bonne ténacité. Ils reçoivent une attention particulièrement importante actuellement, depuis le développement de la troisième génération qui contient des concentrations relativement élevées pour le cuivre et relativement basses pour le Li. Ces nouveaux alliages sont caractérisés par une dureté élevée, une bonne résistance à la fatigue et une bonne stabilité thermique. La phase principale de durcissement est la phase T1 – Al2CuLi qui se présente sous la forme de plaquettes d'environ 1 nm d'épaisseur et 50 nm de diamètre, situées sur les plans {111} de la matrice avec une structure hexagonale. La germination efficace de cette phase durcissante entre en compétition avec d'autres précipités des sous-systèmes constituant ces alliages (comme Al-Cu et Al-Li), et nécessite des conditions particulières, en particulier la présence de dislocations (introduites par pré-déformation) et d'éléments d'alliage mineurs (Mg, Ag, Zn). Bien qu'il soit connu depuis longtemps que l'addition de ces éléments favorise la cinétique de précipitation dans ces alliages et le durcissement associé, leurs mécanismes d'action sont encore très mal compris.Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'évaluer systématiquement l'effet des additions mineures de Mg, Ag et Zn sur la germination, la cinétique de précipitation et le durcissement correspondant. La caractérisation détaillée de la microstructure est utilisée pour comprendre les mécanismes de modification de la microstructure par les éléments mineurs. Les mesures de la diffusion des rayons X à petits angles et la DSC fournissent respectivement la cinétique de précipitation et la séquence de formation des phases. La microscopie électronique en transmission, utilisée en mode conventionnel, en résolution atomique et en mode de cartographie chimique met en évidence la structure et la distribution spatiale des phases. La dureté donne accès au durcissement. Des matériaux à gradient de concentration ont été élaborés et caractérisés pour évaluer l'effet de la concentration des alliages sur la précipitation et le durcissement.Les résultats mettent en évidence que le Mg est l'élément le plus efficace pour accélérer la cinétique de précipitation et de durcissement. L'addition d'Ag et de Zn augmente également la cinétique de précipitation mais dans une moindre mesure. L'addition de Mg change la séquence de précipitation tout au long de la séquence de vieillissement. La différence principale liée à la présence de Mg pour les premiers stades de traitement thermique est observée par rapport à la précipitation sur les dislocations. Dans les alliages qui contiennent du Mg, les dislocations sont décorées par des phases précurseur contenant de Cu et Mg. Par contre dans les alliages sans Mg celles-ci sont associés à des zones GP qui évoluent ensuite en précipités θ'. Cette différence est attribuée à la germination favorable de T1 sur les phases précurseur de Cu/Mg dans les alliages contenant du Mg, et par la saturation des sites de germination hétérogène par θ' dans les alliages sans Mg.L'augmentation de dureté associée à l'addition d'Ag et Zn est attribuée à une fraction volumique plus élevé de la phase T1. Ag est ségrège à l'interface entre T1 et la matrice et Zn est incorporé dans la structure de T1. Ces résultats suggèrent que les additions de Zn et Ag stimulent la formation de T1.L'influence de la concentration en éléments d'addition mineurs a été caractérisée par une approche résolue en temps et en espace, sur les matériaux contenant un gradient en composition. Cela révèle que l'effet de l'addition de Mg sur la précipitation se produit à une valeur seuil de ~0.1% en poids, suggérant que cela est la concentration nécessaire pour germer des phases précurseur sur les dislocations dans les premiers stades de la précipitation.


  • Résumé

    Al-Cu-Li alloys are very attractive for aerospace applications alloys due to their low density, high modulus and high strength. They are experiencing a strong interest since the so-called 3rd generation alloys, with relatively high Cu and low Li content, have been developed with high toughness, fatigue resistance and thermal stability. The main precipitating phase in these alloys is the T1-phase which precipitates on {111}Al-planes with a hexagonal structure. It is known that obtaining a fine dispersion of T1, and hence a high strength requires the presence of dislocations as nucleation sites. In addition, commercial Al-Cu-Li alloys contain several minor alloying elements such as Mg, Ag and Zn, which help reaching the desired properties. Although the effect of these minor additions on precipitation of T1 has been characterized, it has not been understood yet.In this context the aim of this thesis is to systematically investigate the effect of minor additions of Mg, Ag and Zn on precipitation nucleation, precipitation kinetics and related strengthening, and to use a detailed characterization of the microstructure to understand the mechanisms by which the modifications induced by these minor additions take place. In-situ Small-Angle X-ray Scattering and Differential Scanning Calorimetry provide the precipitation kinetics and sequence, respectively. Transmission Electron Microscopy, both in conventional mode, atomically-resolved and in chemical mapping mode, reveals the structure and distribution of phases. Hardness gives access to the strengthening. Compositionally gradient materials are fabricated and characterized to evaluate the effect of alloy composition on precipitation and strengthening.The results reveal that Mg is most effective in order to enhance precipitation kinetics and hardening. Additional Ag and Zn further enhance precipitation kinetics but to a lower extent. The addition of Mg changes the precipitation sequence at all times of ageing. The main differences in early aging conditions are observed with respect to precipitation on dislocations. In Mg-containing alloys, dislocations are decorated by Cu-Mg precursor phases, whereas dislocations in Mg-free alloys are mainly associated to GP-zones which evolve subsequently into θ'-phase. In fully precipitated conditions the microstructure of Mg-containing alloys is dominated by the T1 phase, whereas that of Mg-free alloys is dominated by the θ'-phase. This difference is attributed to the favourable nucleation of T1 on Mg-Cu precursor phases in the Mg-containing alloys, and to the consumption of T1-heterogeneous nucleation sites by the θ'-phase in the Mg-free alloys.The increase of hardness associated to the addition of Ag and Zn is associated to a higher volume fraction of the T1-phase. Ag was found to segregate at the T1/matrix interface and Zn was incorporated into the T1-phase, so that it is assumed that their additions stimulate the formation of T1.The influence of the concentration of the minor solute additions has been characterised by combined space and time-resolved experiments on compositionally gradient materials. It reveals that the effect of an Mg addition on precipitation occurs at a threshold level of ~0.1wt%, suggesting that this concentration is that necessary to form the precursor phase at the dislocations during early ageing.



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