Étude métallurgique d'alliages intermétalliques Fe₃Al-Cu élaborés par fonderie - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Metallurgical study of cast Fe₃Al-Cu intermetallic alloys

Étude métallurgique d'alliages intermétalliques Fe₃Al-Cu élaborés par fonderie

Abstract

The development of complex metallic alloys, of which HEAs are a paragon, requires at least the knowledge of the nature of the phases on the whole multicomponent phase diagrams, at least beyond the proximity of the binary systems on which they are based. The Fe-Al-Cu system is one of the most important ternary systems, even if its study has mainly focused on the Al rich corner because of its propensity to form quasi-crystalline phases. In this context, and in order to complete the knowledge in the intermediate regions between Fe₃Al and Cu₃Al, which are less explored, we have carried out a characterization study of a series of alloys elaborated by casting and subjected to heat treatments generally used to optimize the properties of Fe₃Al intermetallics. In a first step, we completed the ternary sections at 600°C and 700°C and highlighted the quantitative differences with the literature diagrams on the boundaries of the FeAl/Cu₃Al/Cu₉Al₄ three-phase domain. In a second step, we focused on alloys distributed along the Fe-28Al-XCu (X = 15, 20 and 25 at.%) and Fe-XAl-15Cu (X = 20 and 30 at.%) axes. We have characterized the microstructures in the as-solidified state and after different thermal treatments by electron microscopy (scanning and transmission) and X-ray diffraction (laboratory and high energy). We have highlighted the quasi-systematic presence of two intermetallic phases: Fe₃Al and Cu₃Al 18R, resulting from the martensitic transformation of Cu-rich regions. Their proportion is reversed according to the position in the microstructure generated by the solidification step: while Cu₃Al populates cuboidal domains distributed in the dendritic core composed mainly of Fe₃Al, one observes in the copper-rich interdendritic zones Fe₃Al platelets dispersed in a Cu₃Al matrix. It appears that the heat treatments usually applied to Fe₃Al alloys do not fundamentally alter this microstructure, except that they tend to globularize the different Cu-rich domains.
Le développement des alliages métalliques complexes, dont les HEA sont un parangon, requiert de connaître à minima la nature des phases sur l'ensemble des diagrammes de phase multiconstitués, tout du moins au-delà de la proximité des systèmes binaires sur lesquels ils s'adossent. Le système Fe-Al-Cu est un des systèmes ternaires importants, même si son étude s'est surtout concentrée sur le coin riche en Al pour sa propension à former des phases quasi-cristallines. Dans ce contexte, et en vue de compléter les connaissances dans les régions intermédiaires entre Fe₃Al et Cu₃Al plus rarement explorées, nous avons réalisé une étude de caractérisation d'un ensemble d'alliages élaborés par fonderie, et soumis à des traitements thermiques généralement utilisés pour optimiser les propriétés des intermétalliques Fe₃Al. Dans un premier temps, nous avons complété les sections ternaires à 600°C et 700°C et mis en évidence des différences quantitatives avec les diagrammes de la littérature sur les frontières du domaine triphasé FeAl/Cu₃Al/Cu₉Al₄. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à des alliages se répartissant sur les axes Fe-28Al-XCu (X = 15, 20 et 25%at.) et Fe-XAl-15Cu (X = 20 et 30%at.). Nous en avons caractérisé les microstructures à l'état brut de solidification et après différents traitements thermiques, par microscopies électroniques (à balayage et à transmission) et diffraction des rayons X (de laboratoire et hautes énergies). Nous avons mis en évidence la présence quasi systématique de deux phases intermétalliques : Fe₃Al et Cu₃Al 18R, issue de la transformation martensitique des régions riches en Cu. Leur proportion est inversée suivant la position dans la microstructure générée par l'étape de solidification : alors que Cu₃Al peuple plaquette répartis au cœur des dendrites constituées majoritairement de Fe₃Al, on observe dans les zones interdendritiques riche en cuivre des précipités cuboïdaux de Fe₃Al dispersés dans une matrice Cu₃Al. Il apparaît que les traitements thermiques habituellement appliqués aux alliages Fe₃Al ne changent pas fondamentalement cette microstructure, si ce n'est qu'ils tendent à globulariser les différents domaines riches en Cu.
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Dates and versions

tel-04584886 , version 1 (23-05-2024)

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  • HAL Id : tel-04584886 , version 1

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Cite

Hélène Quehen. Étude métallurgique d'alliages intermétalliques Fe₃Al-Cu élaborés par fonderie. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine, 2023. Français. ⟨NNT : 2023LORR0359⟩. ⟨tel-04584886⟩
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