Ce travail a pour but l'étude des propriétés structurales, dynamiques et thermodynamiques de l'alliage Au-Si dans l'état liquide et surfondu. Nous avons utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour déterminer ces propriétés. Les interactions interatomiques nécessaires à ces simulations ont été construites dans un modèle de type MEAM. Dans une première partie de ce travail, nous avons montré que pour la composition eutectique, la structure locale de l'alliage liquide est caractérisée par une forte affinité entre l'or et le silicium, conduisant à un ordre chimique local très important qui ralentit la formation des motifs icosaédriques, caractéristique de l'ordre structural des systèmes métalliques surfondus. Nous avons également montré que cet ordre local influence fortement les propriétés thermodynamiques et dynamiques de cet alliage liquide. Une étude plus générale autour de la composition eutectique confirme les propriétés particulières du liquide à la composition eutectique. Dans une seconde partie, nous avons étudié les propriétés de l'alliage eutectique Au-Si en interaction avec des substrats de silicium. Nous avons mis en évidence une forte structuration du liquide à l'interface, le liquide ayant la propriété de reproduire sur une couche atomique la topologie de la surface du substrat en modifiant parfois sa composition chimique. Ce comportement très particulier est relié aux propriétés de surfusion observées expérimentalement dans ces systèmes. / The aim of this study is to compute structural, dynamic and thermodynamic properties in the liquid and undercooled states of Au-Si alloys using molecular dynamics simulations. The interactions are described via a modified embedded-atom model (MEAM) refined to take into account the liquid properties. In a first step, for the eutectic composition, the local structure is characterized by a strong Au-Si affinity, namely a well-pronounced chemical short-range order which leads to the slowing down of the formation of icosahedral local motifs in the undercooled regime. Moreover we have shown that this short range order strongly influences dynamic and thermodynamic properties of this liquid alloy. A more general study including compositions around the eutectic composition confirms the peculiar behavior of the eutectic alloy. In a second step, we study the behavior of the eutectic alloy in interaction with different substrates of silicon. We show that the liquid mimics the orientation of the substrate, using a one-atomic layer and a chemical composition that may differ from the eutectic one. This peculiar behavior is related to the undercooling properties experimentally observed in these systems.

Nous présentons une étude expérimentale de la dynamique des structures de solidification directionnelle eutectiques fibreuses non-facettées en échantillons semi-massifs. L'alliage transparent utilisé est le succinonitrile-camphre droit. Nous utilisons un dispositif optique original d'observation en vue oblique, qui permet de suivre en temps réel l'ensemble de la structure avec une résolution micronique. La symétrie de base de la structure fibreuse est hexagonale. Nous montrons qu'une courbure résiduelle des isothermes, provoquant un étirement continuel de la structure, conduit à un régime permanent au voisinage du seuil supérieur de stabilité (instabilité de branchement). Les branchements sont alors une source continuelle de défauts. Nous montrons aussi que le seuil inférieur de stabilité (élimination de fibres) coïncide avec le seuil de l'instabilité d'Eckhaus mesuré en échantillons minces. Nous avons étudié d'autres instabilités de la structure fibreuse (oscillation, ovalisation).

Dans le contexte général lié aux économies d'énergie, l'amélioration sensible du rendement des turbines à gaz (aéronautiques ou terrestres), nécessitera d'augmenter notablement la température des gaz de combustion. Cela implique l'emploi de matériaux stables au-delà de 1 500°C. Les céramiques eutectiques préparées par solidification dirigée, à partir des systèmes Al2O3 - Ln2O3 (où Ln représente un élément lanthanide ou l'yttrium) sont une solution envisageable. En effet, leur microstructure, constituée d'un réseau interpénétré 3D de deux phases monocristallines, et exempte de pores, de colonies et de joints de grains, confère à ces systèmes eutectiques des propriétés mécaniques d'un bon niveau, et quasi-constantes jusqu'à des températures proches de leur température eutectique (> 1 700°C). Nos travaux ont consisté à élaborer plusieurs systèmes eutectiques binaires et ternaires, par ajout d'une phase ZrO2 renforçante. Les six systèmes présentant les microstructures les plus prometteuses (3 binaires : Al2O3 - Y3Al5O12, Al2O3 - Er3Al5O12, Al2O3 - GdAlO3, et 3 ternaires : Al2O3 - Y3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - Er3Al5O12 - ZrO2, Al2O3 - GdAlO3 - ZrO2) ont été retenus pour étudier certaines de leurs propriétés mécaniques. Plusieurs modes de fissuration, allant dans le sens de l'augmentation de ténacité détectée dans ces systèmes, ont été décelés après des essais de flexion biaxiale. Ces modes de fissuration ont été corrélés aux caractéristiques microstructurales et à la distribution des contraintes résiduelles, déterminées par le calcul et mesurées par une méthode piézo-spectroscopique. Enfin, l'étude du comportement en fluage à haute température a permis de mettre en évidence une évolution des mécanismes de déformation en fonction des conditions de sollicitation. L'étude MET post mortem a également souligné l'influence marquée du caractère interconnecté de la microstructure sur le comportement en fluage.

Les poudres d'alliages aluminium-nickel produites par atomisation peuvent être traitées pour préparer du nickel de Raney, un catalyseur utilisé dans de nombreux procédés industriels. L'activité du catalyseur dépend fortement du déroulement des multiples réactions de solidification pendant l'atomisation. Un modèle de microségrégation pour la solidification d'alliages métalliques est alors développé. En considérant des flux de diffusion finis, des cinétiques de réactions dendritique, péritectique et eutectique et des surfusions de germination, une alternative plus évoluée est proposée aux modèles de Gulliver-Scheil ou de la loi des leviers. Le couplage avec des calculs d'équilibre thermodynamique est effectué pour évaluer les compositions des interfaces et les termes d'enthalpie dans le bilan d'énergie. Le modèle est appliqué à un alliage binaire, avec des densités de phases constantes, pour simuler le procédé d'atomisation de gouttes d'alliage Al-Ni. Un modèle dédié est choisi pour les conditions aux limites d'échange de chaleur. Les résultats sont comparés à des mesures expérimentales obtenues par diffraction de neutron. Des interprétations sont alors établies sur les comportements non triviaux des alliages Al-Ni solidifiés rapidement. Le modèle proposé permet ainsi d'appréhender les effets concurrents des différentes cinétiques (diffusion chimique, bilan d'énergie, vitesse croissance des microstructures, etc.) lors de la solidification hors équilibre. Les principaux développements envisageables autour de ce travail incluent : l'extension aux alliages multicomposés, l'inclusion de densités variables, le couplage avec des calculs macroscopiques.

Les céramiques eutectiques Al₂O3-YAG-ZrO2:Y obtenues par solidification dirigée constituent une alternative aux superalliages base nickel monocristallins pour le développement d’aubes de turbine à haute température. En effet, leur microstructure complexe 3D-imbriquée, appelée Chinese script, et la qualité des interphases confèrent au matériau une stabilité thermique et des propriétés mécaniques, fluage et contrainte à la rupture, constantes jusqu’à des températures proches de 1700°C.Nos travaux se basent sur deux approches, expérimentale et numérique, afin de comprendre deux aspects inhérents à la morphologie de cet alliage : - La microstructure Chinese script constituée de lamelles irrégulières enchevêtrées des phases majoritaires corindon et YAG et d’une troisième phase ZrO2 :Y. - L’apparition des colonies dans la microstructure, qui résultent d’une déstabilisation de l’interface de solidification en présence d’une impureté.Trois procédés d’élaboration ont été utilisés dans le cadre du projet : EFG, Bridgman et Micro-Pulling Down, afin d’explorer une large gamme de conditions de croissance (gradient de température et vitesse de solidification). Une modélisation des trois procédés par éléments finis avec le logiciel commercial COMSOL a permis une connaissance précise des paramètres de solidification, nécessaire à l’étude des mécanismes de croissance. En parallèle, la composition des échantillons est confrontée aux calculs CALPHAD du diagramme d’équilibre des phases.Une procédure de caractérisation des microstructures obtenues pour différentes conditions de solidification a été mise en place pour décrire cet eutectique irrégulier. Ainsi l’effet de la vitesse et du gradient de température sur cet alliage a été étudié. Des similarités avec la croissance des eutectiques métalliques ont été établies. Il apparaît que la structure eutectique est constituée de deux phases Al2O3 et YAG monocristallines et d’une dispersion de Zr02:Y.Enfin un modèle physico-chimique, inspiré des modèles existants sur la croissance eutectique des métaux, est proposé pour expliquer la formation de cette microstructure et la déstabilisation du front de solidification. Ce modèle est comparé aux observations expérimentales et montre que la compréhension de la croissance eutectique élaborée dans le cas des métaux s’applique bien à la description des eutectiques céramiques.Par ailleurs, une perspective de contrôle de la microstructure par champ électrique est présentée. En effet, en utilisant le caractère ionique du matériau fondu, l’application d’un champ électrique permet de modifier le mouvement des ions et donc d’influencer les phénomènes de diffusion à l’origine de la microstructure. / These last decades, directionally solidified eutectic oxides have drawn attention and are seen as an alternative to Ni based superalloys for the development of high temperature turbine blades. Indeed, their 3D entangled and complex microstructure, called Chinese Script and the high quality of the interphases provide a thermal stability and mechanical properties, creep and strength, constant up to 1973 K.Our study focuses on the directional solidification of an alumina-based ternary eutectic alloy. The work is based on two approaches, experimental and modeling, in order to understand two inherent aspects of this alloy morphology: -The Chinese Script microstructure composed of irregular entangled lamellas of the two major phases Al2O3 and YAG and the third phase ZrO2:Y. - Colonies formation due to the presence of an impurity causing an interface destabilization.Experiments have been performed by different growth techniques: EFG, Bridgman and Micro-Pulling down exploring a large range of growth conditions. The modeling of these processes on a commercial software COMSOL gave the precise knowledge of the growth rate and the temperature gradient, needed for the study of the growth mechanisms. In the meanwhile, samples’ composition has been confronted to the phases equilibrium diagram calculated by the CALPHAD method.A characterization route of the microstructures obtained for different growth conditions has been set up in order to describe this irregular eutectic. Thus, the influence of speed and temperature gradient have been studied, showing identical growth behavior with eutectic metals. Moreover, it appears that this eutectic structure is composed of two single crystals: Al2O3 and YAG and a finely dispersed particles of ZrO2:Y.Finally, a physico-chemical model is presented, based on classical models in the case of metallic eutectics, in order to describe the formation of this microstructure and the appearance of colonies at the eutectic composition. The model is confirmed by the experimental observations. Peculiarities of the ceramic eutectic growth, with respect to metallic eutectics, are discussed.Besides, a way to control the microstructure through an electric field is presented. Indeed, by using the ionic property of the molten material, applying an electric field allows to modify ions transport and thus influences the diffusion phenomena at the origin of the microstructure.

Cette étude s’inscrit dans une problématique d’économie d’énergie à travers l’augmentation des rendements des turbines à gaz. L’objectif est alors de mettre au point un procédé permettant la croissance et la mise en forme de céramiques d’oxydes à la composition eutectique pour l’élaboration d’aubes de turbine. En conservant leurs propriétés mécaniques jusqu’à 1700°C et en présentant une densité plus faible que les superalliages actuellement utilisés dans les aubes, ces nouveaux matériaux seraient une solution potentielle pour augmenter notablement le rendement global des turboréacteurs. Dans ce contexte, le procédé EFG utilisé pour la production de saphir a été identifié comme le procédé d’élaboration le plus prometteur, et la céramique Al2O3/YAG/ZrO2 comme la composition présentant les meilleurs propriétés mécaniques.Dans un premier temps une étude approfondie du procédé EFG utilisé par RSA le Rubis, l’entreprise dans laquelle s’est déroulé ce travail, a été menée. Nous avons alors réalisé un modèle analytique de résolution du point de fonctionnement du procédé. Ce modèle est basé sur nos connaissances dans la cristallisation de saphir et nécessite des ajustements pour convenir à la cristallisation de la céramique.Nous avons donc mesuré les propriétés de mouillage du matériau. La densité liquide et la tension de surface ont été mesurées à l’aide d’une méthode dérivée de la méthode de Wilhelmy. En outre, une simulation numérique du procédé, accompagnée de mesures de températures par thermocouple, a permis de connaitre plus précisément la distribution thermique à proximité de la zone de cristallisation. Cette étude complète les résultats du modèle.Ainsi, nous avons pu solidifier des plaques en céramique eutectique avec le procédé EFG. Plusieurs essais ont été nécessaires au dimensionnement d’une zone chaude assurant le maintien géométrique des plaques, puis de nombreux essais d’optimisation ont permis de prolonger les tirages et ainsi produire des plaques de plus grandes dimensions.Enfin, nous nous sommes intéressés à la caractérisation des céramiques. L’analyse des microstructures définit la vitesse de cristallisation maximale admissible pour réaliser des cristaux sans colonie, qui sont les défauts principaux dans ce type de microstructure. Une campagne d’essais mécaniques a également été effectuée, révélant des problématiques d’usinage nouvelles et particulièrement importantes. / This study is a part of an energy saving issues through an increase of gas turbine yields. The objective is to adapt a process for the growth of oxide ceramics with eutectic composition for the manufacture of turbine blades. Sustaining their mechanical properties up to 1700 ° C and with a lower density than superalloys which are currently used in the blades, these new materials are a potential solution to significantly increase the overall efficiency of jet engines. In this context, the EFG process used for the production of sapphire has been identified as the most promising process, and the eutectic composition Al2O3/YAG/ZrO2 as the ceramic with the best mechanical properties.First, a thorough study of the EFG process used by RSA le Ruby, the company where this work was conducted, was done. An analytic model to resolve the setting point of the process was realized. This model is based on the RSA le Rubis’s knowledge in the sapphire crystallization.The wetting properties of the material were measured to fit the model. The liquid density and surface tension were measured using a method derived from the Wilhelmy method. In addition, a numerical simulation of the process, accompanied by temperature measurement by thermocouple, was done. It allows to know the temperature distribution close to the crystallization zone with a better accuracy.Thus, eutectic ceramic plates were solidified with the EFG process. Several tests were necessary in order to design a process ensuring the solidification of net shaped plates. Then lot of optimization pulls have been done to extend the plate’s dimensions.Finally, some characterizations were achieved on the plates. Analysis of the microstructure defines the maximum rate of crystallization to produce crystals without colonies, which are the main defect in these kinds of microstructures. A campaign of mechanical testing was also performed, revealing new machining problems which are particularly important.

L’objectif de cette étude est d’aboutir à une meilleure compréhension du comportement mécanique et des mécanismes d’endommagement par fatigue oligocyclique de l’acier martensitique T91 à 350°C en présence de l’eutectique Pb-Bi liquide. L’effet de la teneur en oxygène dissous dans le métal liquide, de la température d’essai, de la vitesse de déformation et d’un maintien en traction a été analysé.Un dispositif expérimental permettant la réalisation d’essais de fatigue oligocyclique avec contrôle de la déformation totale dans l’eutectique Pb-Bi liquide à bas taux d’oxygène (10-7 -10-9 % massique) dissous a été conçu spécialement pour ce travail.Toutes les durées de vie mesurées en présence de l’eutectique Pb-Bi sont systématiquement plus faibles que celles mesurées à l’air, notamment à déformation importante. La présence de l’eutectique Pb-Bi réduit la densité de fissures courtes et modifie le mode de propagation de la fissure longue. Un faciès de rupture fragile marqué de stries en milieu Pb-Bi remplace le faciès à stries ductiles observé à l’air. Dans notre étude, la diminution de la teneur moyenne en oxygène dans l’eutectique Pb-Bi a produit un effet tantôt neutre tantôt néfaste en raison de sa concentration locale supposée variable. Une vitesse de déformation faible est un facteur aggravant. Nous pensons que le glissement répété détruit en surface la couche d’oxyde natif permettant l’adsorption d’atomes Pb et/ou Bi sur les extrusions et intrusions. Les modèles basés sur la réduction locale de la contrainte de cisaillement et sur la réduction de la cohésion semblent rendre compte de l’effet de l’eutectique Pb-Bi sur la croissance des fissures surfaciques et en volume. / The goal of this study is a better understanding of the Low Cycle Fatigue (LCF) behaviour and of the fatigue damage mechanism of the martensitic T91 steel at 350°C and in liquid lead-bismuth eutectic (LBE). The effect of the dissolved oxygen content in the LBE, the LCF test temperature, the strain rate and a tension holding has been investigated.A specific set-up has been designed to perform strain controlled LCF tests in liquid LBE at low oxygen content (10-9 wt %).For all tested conditions, the LCF lifetime was reduced in presence of LBE in comparison with tests in air, especially at high strain range. The presence of LBE promoted a reduction of the density of short cracks and modified the fatigue propagation mode of long crack. In air, the fracture surface was covered with ductile fatigue striations while it was brittle in LBE. Furthermore, decreasing oxygen content in LBE either did not play any effect or resulted in a harmful effect because of the likely local variation of oxygen content. Moreover, a low strain rate appeared to be a critical factor.We suggest that the localized and alternative strain in the emerging slip bands destroys the protective native oxide layer allowing the adsorption of Pb and/or Bi atoms at the surface of the extrusions and the intrusions. Models based on the reduction of the shear stress and on the reduction of the cohesion seem to explain the LBE effect on the growth rate of both surface and bulk cracks.

Les aciers martensitiques Fe9Cr1MoNbV (acier T91) sont des bons candidats pour les composants des réacteurs nucléaires de Génération IV ou pour les réacteurs hybrides. Ces technologies employant des métaux liquides, la fragilisation par métal liquide est un problème pour l’intégrité des structures. Ce travail de thèse est une contribution à l’étude de la sensibilité de l’acier T91 en présence de l’eutectique Pb-Bi (LBE). L’approche, fortement expérimentale, a pour but de déterminer qualitativement et quantitativement les paramètres les plus pertinents pour déclencher la fragilisation. Une unité de purification de l’eutectique Pb-Bi a été conçue et construite au laboratoire pour retirer l’oxygène de l’eutectique Pb-Bi. Des essais mécaniques de type Small Punch Test, flexion 3 points et traction monotone ont pu être réalisés dans l’eutectique à faible teneur en oxygène dans une cellule d’essais à atmosphère contrôlée. L’acier T91, après avoir reçu son traitement thermique standard, s’est montré très sensible à la fragilisation par l’eutectique Pb-Bi à 300°C quand la vitesse de chargement était très faible aussi bien dans l’eutectique saturé ou appauvri en oxygène. Il s’avère que la vitesse de sollicitation est le facteur clé et la teneur en oxygène un facteur accélérateur de la fragilisation. Le mécanisme de fragilisation par l’eutectique Pb-Bi repose sur une diminution de l’énergie de surface et une diminution des forces de cohésions suite à l’adsorption des atomes Pb et Bi en fond de fissure. Une vitesse de déformation lente favorise la séquence oxydation-rupture du film d’oxyde qui se produit périodiquement au cours de la déformation. / Martensitic T91 steel is designated to constitute structural material for both Generation IV nuclear reactors and the high temperature components of future accelerator driven system (ADS) which employ liquid metals. The liquid LBE embrittlement of is one of the critical issues for the compatibility between the structural material T91 steel and the liquid metal. This thesis research has estimated the embrittlement sensitivity of T91 steel in liquid LBE qualitatively and quantitatively. A specific unit of LBE purification has been manufactured to remove oxygen from LBE. Special setup of Small Punch Test, three-point bending test and tensile test, have been developed in the laboratory to perform mechanical tests in low oxygen LBE inside an environmentally controlled atmosphere cell. T91 steel is a ductile material even when stressed in LBE but there exists a set of conditions which results in ductile to brittle transition. T91 steel has appeared very sensitive to liquid LBE embrittlement at 300°C when it very slowly loaded as well in oxygen saturated LBE as in low oxygen LBE even in the standard heat treatment. In addition, low oxygen content in LBE accelerates this brittle damage. Surface defects play a role when their size is of the order of a few grain sizes. The fracture toughness for T91 steel in liquid LBE can be just half of that in air. The mechanism of liquid LBE embrittlement of T91 is based on the reduction of both the values of interatomic bonds cohesive strength and of surface energy. Straining very slowly the material is supposed to favour oxidation-oxide film rupture sequences which allows real adsorption at crack tip and then propagation of brittle crack.

Ce travail a pour but l'étude des propriétés structurales, dynamiques et thermodynamiques de l'alliage Au-Si dans l'état liquide et surfondu. Nous avons utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour déterminer ces propriétés. Les interactions interatomiques nécessaires à ces simulations ont été construites dans un modèle de type MEAM. Dans une première partie de ce travail, nous avons montré que pour la composition eutectique, la structure locale de l'alliage liquide est caractérisée par une forte affinité entre l'or et le silicium, conduisant à un ordre chimique local très important qui ralentit la formation des motifs icosaédriques, caractéristique de l'ordre structural des systèmes métalliques surfondus. Nous avons également montré que cet ordre local influence fortement les propriétés thermodynamiques et dynamiques de cet alliage liquide. Une étude plus générale autour de la composition eutectique confirme les propriétés particulières du liquide à la composition eutectique. Dans une seconde partie, nous avons étudié les propriétés de l'alliage eutectique Au-Si en interaction avec des substrats de silicium. Nous avons mis en évidence une forte structuration du liquide à l'interface, le liquide ayant la propriété de reproduire sur une couche atomique la topologie de la surface du substrat en modifiant parfois sa composition chimique. Ce comportement très particulier est relié aux propriétés de surfusion observées expérimentalement dans ces systèmes.

Les nanofils (NFs) de semi-conducteur (SC) sont des objets possédant des propriétés très intéressantes pour la fabrication de futurs composants électroniques à l'échelle nanométrique. Ils sont élaborés grâce à l'utilisation d'un catalyseur métallique (Au) formant un point eutectique profond en s'alliant à la phase SC (Si) permettant la germination et la croissance du NF à basses températures. Ce travail a pour but l'étude de la formation, de la structure et du comportement de ces gouttes d'alliage eutectique en interaction avec le substrat dont les propriétés futures du NF vont dépendre. L'étude a été menée in-situ, par utilisation du rayonnement synchrotron qui est un outil parfaitement dédié à la caractérisation de structures à l'échelle atomistique. Les gouttes d'eutectique ont été obtenues par le démouillage d'un film d'or. L'étude de ce procédé a révélé des changements dans les relations d'épitaxies entre l'or et le silicium. Les gouttes ainsi formées sont accompagnées d'une couche de mouillage, se révélant être une reconstruction de surface, dont les conditions de formation ainsi que la structure atomique ont été déterminées. Lors du refroidissement, une augmentation des effets de surfusion a été observée en présence de cette reconstruction et sont expliqués par la structure même de cette dernière qui semble stabiliser l'état liquide. Des expériences similaires ont été faites sur d'autres systèmes (Au-Ge, Al-Si) et une synthèse a été réalisée pour comparer les connaissances actuelles sur le ce sujet avec les résultats de ce travail. / Semiconductor (SC) nanowires (NMs) have been identified as important components for future electronic and sensor nanodevices. They are produced using a metal catalyst (Au) that forms a low eutectic point with the SC phase (Si) and enables their nucleation and their growth at low temperatures. The aim of this study is to investigate the formation, the structure as well as the behaviour of such liquid eutectic droplets in interaction with the substrates on which the futur NMs properties will later depend. This work has been performed in-situ, using synchrotron radiation which is the perfect tool to characterize this mechanism at the atomistic scale. The eutectic droplets have been obtained through the dewetting of thin gold films. This process has been found to modify the epitaxial relationships between the gold and the silicon substrate. The obtained droplets are accompanied by a wetting layer (WL) whose conditions of formation as well as atomic structure, which turned to be a surface reconstruction, have been determined. During the cooling process, the supercooling effects in such AuSi eutectic droplets have been found to be enhanced in the presence of this reconstruction. They are explained by the specific structure of the reconstruction which is likely to stabilize the liquid phase. Similar experiments on other systems (Au-Ge or Al-Si) were performed and a synthesis has been made in order to present the current knowledge on this topic in comparison with the results of this work.