Préparation des monocristau

Principe de fabrication des monocristaux :

Les monocristaux de Mg sont élaborés par solidification dirigée horizontale selon la technique mise au point à l’Ecole des Mines de Saint Etienne pour des cristaux d’alliages d’aluminium. Un schéma du four de solidification est présenté figure 3.1 Le principe consiste à chauffer le métal près de la température de fusion à l’aide d’un long enroulement tubulaire et ensuite à le fondre jusqu’au germe par un anneau chauffant mobile. Enfin on fait pousser le cristal à partir du germe en retirant progressivement l’anneau chauffant vers le « pied ». Pour obtenir des monocristaux lors du refroidissement, il faut assurer une croissance sans germination grâce à une légère surfusion dans le liquide pour que le front de solidification avance uniformément. Mais il est aussi nécessaire d’évacuer la chaleur latente de solidification, donc il faut un grand gradient thermique à l’interface solide-liquide, ainsi qu’une faible vitesse de solidification. Dans la partie solide il faut par contre essayer d’avoir un faible gradient de température, pour éviter les contraintes thermiques et les défauts, imposant un compromis sur le gradient thermique. Le profil de température doit être unidirectionnel, sans évacuation de la chaleur par la nacelle.

Le compromis entre l’exigence d’un gradient thermique élevé à l’interface et modéré dans le solide est donc obtenu par l’association des deux éléments de chauffage distincts : l’anneau mobile et le tube chauffant fixe appelé enroulement.

Pour contrôler la température, nous ne pouvons régler que la puissance de l’enroulement et de l’anneau, car il n’y a ni thermocouple ni asservissement dans le four.

Ce système est fréquemment utilisé pour l’élaboration de cristaux d’aluminium mais n’a pas été employé pour le Mg depuis 1994 lorsque Chenau-Spath [1] avait élaboré quelques cristaux. Nous devions l’adapter pour le cas du Mg qui possède une température de fusion proche de celle de l’aluminium (respectivement 650 et 660 °C) mais des propriétés calorifiques différentes. Pour l’aluminium la vitesse de solidification est de 3cm/heure, mais pour la fabrication des monocristaux de magnésium, après plusieurs essais, nous avons adopté une vitesse d’environ 10 cm/heure. Nous utilisons également une nacelle en graphite. Enfin il est nécessaire d’avoir une légère surpression d’argon par rapport à la pression atmosphérique car le magnésium est volatil et s’évapore.

Processus de fabrication des monocristaux :

Nous avons fait découper dans un lingot de magnésium de haute pureté (99,99%) des barreaux polycristallins de 20 mm de large, 13mm de haut et environ 150 mm de long. Pour faire croître une orientation particulière on utilise un germe monocristallin de hauteur moindre (entre 5 et 10mm) et de longueur d’environ 50 mm. Le barreau et le germe sont décapés à l’acide acétique, puis soudés au TIG, décapés de nouveau, puis placés dans la nacelle de fusion (moule de solidification) en graphite ; le germe est maintenu au niveau supérieur du barreau par des cales en graphite, pour que le métal liquide ne s’écoule pas ou ne pousse pas le germe ; en théorie seule une petite partie du germe sera refondue.

Nous faisons le vide (inférieur à 5*10-2 mbar) grâce à une pompe à palette, tout en chauffant légèrement (enroulement à 50%) pour dégazer. Une fois le four dégazé, soit après 2 heures de chauffe et jusqu’à une nuit de pompage, nous faisons rentrer de l’argon, puis refaisons le vide pour chasser les derniers résidus de gaz, puis remplissons le four d’argon à une pression d’environ 1,1 bar. Progressivement, nous chauffons le four en augmentant tous les quarts d’heure la puissance de l’enroulement et de l’anneau, en quatre paliers allant de 65 à 96% pour l’enroulement et de 25 à 98% pour l’anneau. Avec l’augmentation de la température, l’argon se dilate et sa pression augmente, jusqu’à environ 1,4 bar lorsque le four atteint la température de fusion du magnésium, soit 650°C. La montée en puissance dure ¾ d’heure, et la fusion commence environ 1 heure après le début de la chauffe. Initialement l’anneau est au

dessus du barreau au niveau du pied du futur monocristal. Alors nous avançons peu à peu l’anneau, à la vitesse de 2 cm toutes les 5 minutes, en direction de la tête du monocristal, jusqu’à ce que le front de fusion atteigne le germe. Après stabilisation du front liquide l’étirage commence, l’anneau recule à la vitesse de 2 ou 3 mm/min au delà du pied du barreau, et le front de solidification avance de la tête au pied. Si tout se passe bien il n’y a qu’un seul grain qui croît. Ensuite nous laissons encore l’anneau sous tension, de 30 minutes à 1 heure, alors que nous diminuons la puissance de l’enroulement, ce qui permet de s’assurer d’une solidification complète tout en maintenant le gradient de température, et un refroidissement lent du monocristal. Puis le système de chauffage est coupé totalement ; le refroidissement du four et du monocristal prend environ 3 heures. A la sortie du four, si le four a été bien dégazé le monocristal est très peu oxydé, sinon il est recouvert d’oxydes noirs ; une attaque à l’acide acétique permet de le nettoyer et de révéler d’éventuels joints de grain. Environ une fois sur 10 nous réussissons à obtenir un monocristal.

Le germe du monocristal est séparé du barreau par découpage électrolytique (ce qui évite tout écrouissage), puis nous utilisons la méthode de diffraction RX Laue pour déterminer l’orientation de cristal.