Les lacunes thermiques provoquent un durcissement qui peut accentuer la fragilité à l’ambiante de ces alliages. C’est donc dans l’état recuit que nous devrons étudier les propriétés en compression et en flexion de nos alliages. Les paramètres du recuit d’élimination des lacunes sont connus depuis longtemps pour les alliages binaires FeAl [6], mais ils sont fortement affectés par l’addition de nickel [13, 154, 155]. Pour établir les conditions de recuit pour les alliages FeAl4Ni dopés ou non au bore, nous avons besoin de nous assurer de leur état initial avant recuit. Une possibilité consiste à obtenir des alliages ayant le maximum de lacunes thermiques en excès. Ainsi nous devons commencer par définir le traitement thermique de rétention des lacunes pour pouvoir étudier leur élimination.
III.1.1. Rétention des lacunes thermiques
Nous avons donc d’abord étudié l’influence des conditions de refroidissement sur la dureté de ces alliages, en fonction de la température de maintien. En effet les lacunes thermiques en excès sont à l’origine d’un durcissement de l’alliage et une indication qualitative de leur concentration peut être obtenue par des mesures de microdureté [51].
a) b)
Figure III.1 : Evolution de la dureté d’échantillons, trempés à l’huile ou refroidis à l’air, en fonction de la
température de maintien (1h) : a) FeAlNi4, b) FeAlNi4B.
Trois conditions de refroidissement ont été comparées : trempe à l’eau, à l’huile et refroidissement à l’air. Cependant , il ne faut pas oublier le caractère fragile de nos matériaux : une trempe trop violente pourrait conduire à une fissuration de l’échantillon. Le choix du refroidissement résulte donc d’un compromis entre la quantité de lacunes retenues (température et vitesse de trempe), la viabilité physique du matériau et les coûts engendrés par le procédé. Nous avons rapidement abandonné la trempe à l’eau puisque dès 800°C la
fissuration a été observée dans nos échantillons. Les résultats portant sur l’étude des trempes à l’huile et à l’air sont présentés Figure III.1 pour les alliages modèles contenant du nickel. Nous constatons que la dureté (i.e. la concentration des lacunes) augmente avec la température puis se stabilise à partir de 1000°C, et ce indépendamment des conditions de refroidissement. Compte-tenu de la faible différence de dureté entre les deux modes de refroidissement, à l’air et trempe à l’huile, nous avons choisi le premier afin de limiter au maximum les risques de fissuration par choc thermique.
Un traitement haute température dont le rôle serait de former un maximum de lacunes dans les alliages FeAlNi4, dopés ou non au bore, pourrait donc consister en un maintien d’une heure à 1000°C suivi d’un refroidissement à l’air.
III.1.2. Elimination des lacunes thermiques en excès
Pour ces mêmes alliages, nous avons suivi l’élimination des lacunes thermiques en excès par dilatométrie lors de recuits isothermes. Ces recuits sont effectués sur des échantillons contenant le maximum de lacunes thermiques en excès, c’est-à-dire ayant préalablement subi le traitement thermique établi ci-dessus. Dans leur forme brute, les courbes de dilatométrie présentent principalement deux parties,
Figure III.2. La première correspond à la phase de montée en température pendant laquelle la taille de l’éprouvette augmente de manière importante par dilatation du paramètre de maille. En comparaison, lors du palier isotherme l’évolution dimensionnelle est peu sensible et distingue la seconde partie. Ces deux phases nous permettent de déterminer le début du processus d’élimination des lacunes : il s’agit du maximum de la courbe dilatométrique brute. Au-delà de ce maximum, donc pendant le maintien isotherme, le paramètre de maille ne varie plus et toute variation dimensionnelle de l’échantillon correspond donc à l’évolution de la population des lacunes thermiques en excès. Puisque nous observons une contraction de l’éprouvette, nous suivons donc bien par cette méthode le phénomène d’élimination des lacunes dès l’instauration du régime isotherme.
Figure III.2 : Exemple de courbe (forme brute) issue
d’une expérience de dilatométrie sur l’alliage FeAlNi4B. Dans le cas présenté ici, le palier isotherme est à 450°C.
La concentration de lacunes en excès s’éliminant pendant le recuit (dN/N), proportionnelle à la contraction de l’échantillon (dl/l), peut se calculer par [6] :
(
daa)
l dl N
dN= *3 −
le terme da/a correspond à la variation du paramètre cristallin qui demeure constant dans des conditions isothermes. La formule peut alors se réduire à :
l dl N dN=3*
Une courbe de cinétique corrigée (la contraction de l’échantillon est normalisée par sa contraction maximale) est présentée Figure III.3. A l’aide de la formule ci-dessus et des données issues des expériences de dilatométrie nous pouvons calculer la concentration de lacunes en excès éliminées au cours du recuit. Le choix du recuit doit prendre en compte autant la quantité de lacunes éliminées que le temps nécessaire à l’élimination des lacunes en excès. Ces résultats sont donc regroupés sur la Figure III.4, avec ceux de Gay-Brun [72] pour les alliages sans nickel.
Figure III.4 : Elimination des
lacunes thermiques en excès. Effets du bore et du nickel. Les temps nécessaires à l’élimination sont représentés en noir et la quantité de lacunes éliminées en gris. (* le temps d’élimination des lacunes pour les alliages binaires sont issus de [72])
L’examen de ces résultats met en lumière deux faits essentiels. Tout d’abord, le nickel ralentit considérablement la cinétique d’élimination des lacunes. En effet, il faut 8 fois plus de temps pour éliminer les lacunes à 400°C pour l’alliage FeAlNi4B que pour FeAlB (40 % at. Al et 400 ppm at. B) De plus, le temps nécessaire à l’élimination des lacunes thermiques pour l’alliage FeAlNi4 a excédé 48 h (i.e. la durée du recuit isotherme initialement prévue) Ceci est en accord avec la littérature [12, 13, 154, 155]. Le second fait marquant
Figure III.3 : Cinétique d’élimination des lacunes thermiques en excès à 450°C pour l’alliage FeAlNi4B.
concerne l’effet accélérateur du bore : il est confirmé dans les alliages ternaires. Finalement, le recuit isotherme à 500°C présente le meilleur compromis temps/quantité de lacunes éliminées : il divise par deux le temps d’élimination par rapport au recuit à 450°C (pour FeAlNi4) et la quantité de lacunes éliminées n’est que marginalement affectée.
En complément de ces résultats il est important de remarquer que, pour les alliages FeAl purs ou dopés au bore, la microstructure semble n’atteindre son état d’équilibre qu’après des recuits d’une durée de plusieurs jours à 400°C [38]. La durée communément admise est d’une semaine. Pour tous les alliages ternaires nous effectuerons donc un recuit à 500°C d’une semaine, durée qui nous assure en outre de l’élimination des lacunes pour les alliages à plus forte teneur en nickel [13].
Les effets opposés du bore et du nickel sur la cinétique d’élimination des lacunes ont été confirmés : le premier l’accélère tandis que le second la ralentit considérablement. Le recuit sera donc d’une semaine, à 400°C pour les alliages binaires et à 500°C pour les ternaires.