Caractérisation de la surface polie

Une analyse XPS a été réalisée sur un échantillon de AA 2024-T3 poli miroir selon la procédure décrite dans le chapitre II, incluant un pré-polissage avec des papiers abrasifs SiC puis des polissages successifs sur drap avec des suspensions d'alumine de différentes tailles, la dernière étape étant un polissage avec une suspension d'alumine de 0,3 µm. Les résultats obtenus montrent la présence d'aluminium, de cuivre, d'oxygène, et de carbone sur la surface analysée, le magnésium n'est pas détecté. La Figure III-2 présente les spectres XPS des niveaux de cœur de C1s, Al2p, O1s et Cu2p, les énergies de liaison de chaque pic sont détaillées dans le Tableau III-4.

Figure III-2 : Spectres XPS des niveaux de cœur de C1s, Al2p, O1s et Cu2p enregistrés sur un échantillon de AA 2024-T3 poli miroir. Les énergies de liaison de chaque pic et les largeurs à

mi-hauteur sont détaillées dans le Tableau III-4.

Pic Attribution ^{Energie de liaison} (eV) Energie de liaison corrigée de l'effet de charge (eV) Largeur à mi-hauteur (eV) C1s C Contamination C-C 286,1 285,0 1,9

Al2p A oxyde d'Al 75,6 74,5 2,1

Al2p B métal 72,7 - 0,9

Cu3p Cu3p 72,2 71,1 1,8

Cu2p3/2 Cu2O 933,5 932,4 2,0

O1s A OH^- 533,5 532,4 2,5

O1s B O^2- 532,1 531,0 2,0

Tableau III-4 : Energie de liaison et largeur à mi-hauteur des pics XPS enregistrés sur la surface d'un échantillon de AA 2024-T3 poli miroir présenté sur la Figure III-2.

550 545 540 535 530 525 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 A O 1s Int ens ité (c oups /sec )

Energie de liaison (eV)

B 960 950 940 930 800 1000 1200 Cu 2p_1/2 Cu 2p_3/2 Cu 2p Int ens ité (c oups /sec )

Energie de liaison (eV)

305 300 295 290 285 280 275 200 400 600 800 1000 C Int ens ité (c oups /sec )

Energie de liaison (eV)

C 1s A ^B 90 85 80 75 70 0 200 400 600 Cu 3p Al 2p Int ens ité (c oups /sec )

Energie de liaison (eV)

A B

De la même façon que précédemment, le pic attribué aux liaisons de type C-C sur le spectre XPS du niveau de cœur C1s est utilisé pour corriger l'effet de charge observé (1,1 eV) pour les pics associés à la couche d'oxyde (isolante). Les spectres XPS présentés sur la Figure III-2 n'ont pas été corrigés de l'effet de charge, pour ne pas décaler le pic de l'aluminium métallique qui ne subit pas l'effet de charge.

Le pic associé au niveau de cœur Al2p est décomposé en deux composantes, le pic A à une énergie de liaison corrigée de 74,5 eV est attribué à l'aluminium sous forme d'oxyde et/ou d'hydroxyde et le pic B à une énergie de liaison de 72,7 eV est attribué à l'aluminium métallique sous-jacent à la couche d'oxyde [152,156,157,159–161,192].

Le spectre XPS du niveau de cœur Cu2p présente deux pics attribués aux niveaux Cu2p3/2 et Cu2p1/2 tel qu'indiqué sur la Figure III-2. On remarque que l'intensité de ces pics est faible, indiquant une faible quantité de cuivre. Le spectre Auger du cuivre a également été enregistré, mais le spectre obtenu présente une intensité très faible et ne peut pas être utilisé pour définir l'environnement chimique du cuivre. L'absence de satellite sur le niveau de cœur Cu2p semble indiquer que le cuivre n'est pas présent au degré d'oxydation +II [152,155,197,204]. Le pic Cu2p_3/2 est à une énergie de liaison de 933,5 eV, ce qui est trop élevé pour correspondre à du cuivre métallique non soumis à l'effet de charge. Le cuivre provient donc de la couche d'oxyde et est soumis à l'effet de charge, sa position en énergie de liaison corrigée est de 932,4 eV. Ce pic est donc attribué à un oxyde de Cu(I) de type Cu₂O contenu dans la couche d'oxyde. Dans la littérature, le pic Cu2p_3/2 correspondant à Cu₂O a été reporté à une énergie de liaison de 932,5 eV par Deroubaix et al. [205] et McIntyre et al. [155], l'attribution proposée est donc en accord avec les données de la littérature.

Le spectre XPS du niveau de cœur O1s est décomposé en deux pics. Le pic A, à une énergie de liaison corrigée de 532,4 eV est attribué à des hydroxydes (OH^-) présents dans les composés Al(OH)3 ou AlO(OH). Le pic B présente une énergie de liaison corrigée de 531,0 eV et est attribué à l'oxygène sous forme d'oxyde (O^2-), présents dans la pseudobohémite AlO(OH) ou dans l'alumine Al2O3. Ces positions sont en accord avec les valeurs décrites dans la littérature [151,156,157,159].

L'aire de chaque pic XPS permet de calculer la composition globale de la couche d'oxyde et indique qu'elle contient 32% at. d'aluminium, 0,5 % at. de cuivre, et 66% at. d'oxygène. Globalement, il y a donc deux atomes d'oxygène pour un atome d'aluminium, ce qui confirme

que cette couche est hydratée. Un rapport de 1,5 aurait été obtenu dans le cas d'une composition d'oxyde Al₂O₃. Le rapport des intensité O/Al de 2 et la présence d'un pic attribué à OH^- sur le spectre XPS du niveau de cœur O1s indiquent que la couche d'alumine est hydratée, et peut correspondre à une couche de pseudobohémite AlOOH ou à une couche d'oxyde d'aluminium Al2O3 recouverte d'une couche d'hydroxyde Al(OH)3.

En conclusion, la couche d'oxyde formée à la surface de l'alliage AA 2024-T3 poli est composée principalement d'un oxy-hydroxyde d'aluminium et contient également une très faible quantité de cuivre (0,5%at.) sous forme d'oxyde Cu2O. Cette conclusion est en accord avec les résultats présentés dans la littérature, qui indiquent que les couche d'oxydes formées par une exposition à l'air d'aluminium métallique sont des couches d'oxy-hydroxydes [5,151,161,201]. Afin de différencier une couche homogène de pseudobohémite AlOOH d'une couche d'alumine Al2O3

recouverte d'une couche d'hydroxyde Al(OH)3, Chidambaram et al. ont réalisé des analyses XPS en utilisant différents angles d'analyse. L'analyse réalisée à 30° permet d'analyser uniquement la surface de la couche d'oxyde, alors que l'analyse réalisée à 90°C sonde une zone plus profonde allant jusqu'au substrat métallique. Ils ont ainsi constaté que la couche d'oxyde formée à la surface d'un alliage d'aluminium AA 2024-T3 après polissage mécanique était composée d'une couche mixte de AlOOH et d'Al(OH)₃ [192].

La surface polie miroir analysée ici est la surface de départ qui va être soumise aux différents traitements étudiés. Cette surface ne contient pas d'oxyde de magnésium, ce qui était un résultat attendu puisque le polissage enlève la couche d'oxyde natif, contenant le magnésium, formée lors du traitement thermique. Cela constitue une différence importante entre la surface de l'alliage AA 2024-T3 telle que reçue et la surface polie qui va être utilisée comme point de départ pour tous les traitements de surface. Le polissage miroir des échantillons est nécessaire pour pouvoir utiliser de façon quantitative les techniques d'analyses telles que l'AFM ou le ToF-SIMS, du fait des effets de rugosité. Les mesures de rugosité (Ra) réalisée par profilométrie indiquent que la surface de AA 2024-T3 telle que reçue présente une rugosité de 271 ± 17 nm alors qu'elle n'est que de 24 ± 8 nm pour la surface polie.