Interactions entre Courants Electriques et evolutions microstructurales – ECUME

L’application d’un courant électrique à un alliage métallique présente un fort potentiel pour le développement et l’optimisation des matériaux. Tout d’abord, elle permet un suivi in situ de l’évolution microstructurale lors des traitements thermiques et thermo-mécaniques. Par ailleurs, elle permet de modifier les microstructures. Cependant, malgré ce fort potentiel, son déploiement vers l'échelle industrielle nécessite une meilleure compréhension des interactions entre courant électrique et évolution microstructurale. L’objectif de ce projet est précisément de développer un cadre théorique à l’échelle de la microstructure basé sur une approche en champ de phase. Cette démarche sera appliquée à deux situations complémentaires pour lesquelles des expériences dédiées seront réalisées sur des alliages métalliques modèles : (1) le suivi de la résistivité électrique lors de transformations de phase ; (2) la modification des microstructures par application de champs électriques intenses.

Le modèle Champ de phase intégrera les actions des diverses forces motrices en jeu, c.à.d. les énergies libres des différentes phases, la cinétique des interfaces, la relaxation des contraintes élastiques générées par désaccord de réseau et, finalement, l’électrocinétique et le transport de matière par électromigration. Le model permettra ainsi d’étudier la réponse électrique d’une microstructure en évolution ainsi que son contrôle par transport convectif généré par des courants intenses. Le code associé sera implémenté dans une version 3D pour simuler des situations réalistes présentant des arrangements complexes.

Dans une 1ere partie, sans électromigration puisque les courants seront faibles, le modèle sera utilisé pour calculer la résistivité d’une microstructure. Ces simulations permettront d’aller au-delà des modèles d’homogénéisation souvent utilisés pour interpréter les mesures, ces modèles ne pouvant rendre compte de la répartition très inhomogène des densités de courant associée aux arrangements 3D observés. Plus précisément, le modèle sera utilisé pour analyser des expériences sur l'alliage Ti-15%Mo. Tout d'abord, tirant parti de la transformation de phase beta->alpha à haute température, des microstructures seront générées par traitement thermique isotherme ou cyclique. Ensuite, en utilisant la transformation beta->omega à basse température, des traitements thermiques isothermes seront réalisés afin d'obtenir des microstructures avec des champs de concentrations en Mo hétérogènes. Ces microstructures seront caractérisées en microscopie (MEB, MET) et en diffraction de rayons X de haute énergie. Les mesures correspondantes de résistivité seront comparées aux prédictions du modèle de champ de phase.

Dans une 2nde partie, prenant en compte le transport de matière par électromigration, le modèle permettra d’étudier comment un courant électrique peut être utilisé pour contrôler l’évolution d’une microstructure. Nous analyserons la sensibilité de la réponse microstructurale aux différents types de courant (continu, alternatif, pulsé). Une attention particulière sera portée à la compétition entre échelles de longueurs générées par un courant pulsé et longueurs internes (diffusion, taille des précipités, distance entre interfaces). L’action simultanée de ces échelles peut générer des morphologies particulières et permettre ainsi un contrôle de la microstructure. Sur le plan expérimental, un nouveau dispositif sera élaboré afin d’accéder aux conditions requises pour analyser les alliages choisis (température, vitesse de chauffage et de refroidissement, atmosphère contrôlée) et utiliser des courants continus ou pulsés. Les expériences sur le système Fe-C seront centrées sur l’étude de la propagation de l’interface austénite/ferrite et sur l’impact d’un courant appliqué sur la diffusion des atomes de carbone. Enfin, les mesures sur le système Fe-Cu seront centrées sur l’action du courant appliqué sur les mécanismes de nucléation et de croissance.