Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Programme doctoral Sciences et Génie des matériaux, Institut des matériaux IMX (Laboratoire de simulation des matériaux LSMX)

Etude des morphologies de solidification dans les alliages aluminium-zinc

Gonzales, Frédéric ; Rappaz, Michel (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2008 ; no 4260.

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    Summary
    Aluminum zinc alloys constitute an important class of wrought alloys, the so-called 7000 series, and are also widely used as anti-corrosion coatings of steel sheets. They are also interesting from a more fundamental point of view because zinc, a hexagonal close-packed (hcp) element, can be added to aluminum up to very large amounts (up to 94 wt pct) while keeping the face-centered cubic (fcc) structure. Dendrites are very common to most metallic alloys produced by solidification. Resulting from an instability of the solid-liquid interface, they have a tendency to develop along directions corresponding to convexities of the equilibrium shape crystal. The equilibrium shape of a crystal in contact with its liquid phase is dictated itself by the anisotropy of the solid-liquid interfacial energy γsl. Metallic alloys such as fcc nickel exhibit dendrites which are very well constrained to grow along ‹100› directions, thus indicating that γsl in this case has a fairly large anisotropy. The first unusual dendrite morphology observed in aluminium alloys more than half a century ago is the so-called feathery grains or twinned dendrites [1]. When trying to reproduce such morphologies in the laboratory using directional or Bridgman solidification conditions, Henry et al. [2] obtained various dendrite growth morphologies, depending on the composition of the alloy, speed of solidification and thermal gradient. Using Electron Back-Scattered Diffraction (EBSD), they clearly showed that such morphologies are ‹110› dendrites split in their center by a (111) twin plane and extending on both sides ‹110› arms. At about the same time, Sémoroz et al. [3] made careful observations of dendrite growth directions in Al-45 wt pct Zn coatings deposited on steel sheets by the hot dipping process. Although dendrites in this case interact with the free (oxidised) surface and with the thin intermetallic layer formed at the steel-coating interface, these authors could clearly identify ‹320› dendrite growth directions in grains having various orientations with respect to the coating surface. These observations were interpreted by Henry et al. [2] and Sémoroz et al. [3] as a modification of the weak anisotropy of the solid-liquid interfacial energy γsl due to the addition of solute element (such as zinc), having a strong anisotropy of the interfacial energy γsl. From these observations, a natural question was raised : what is the in uence of solute element on the weak anisotropy of the aluminium interfacial energy ? Can zinc progressively modify this anisotropy, and thus dendrite growth morphologies as its content is increased ? In order to answer this question, two kinds of solidification experiments were performed Bridgman and directionnal solidification on Al-Zn alloys over a large composition range. Results show that aluminum-zinc binary alloys exhibit a continuous change of dendrite growth direction, from ‹100› to ‹110›, as the concentration of zinc increases from 5 to 90 wt% [5]. Textured seaweed morphologies were even observed at the start and end of this so-called "Dendrite Orientation Transition" (DOT), i.e., for C0 ≈ 30 and 55 wt%. 3D reconstructions of conventional ‹110› dendrite and seaweed structures allowed a better comprehension and precise characterization of such growth morphologies. This transition was interpreted as due to a modification of the anisotropy of the interfacial anisotropy γsl by an increasing amount of zinc in aluminum. The first terms of the development of γsl into spherical harmonics for a cubic symmetry could be linked to the zinc concentration in a semi-quantitative way. The same development used in 3D phase field simulation allowed to reproduce these experimental dendritic growth morphologies, in particular the DOT, but not the seaweed morphologies. Growth directions and crystallographic orientations of solidification microstructure have been measured in Al-Zn and Zn-Al alloys close to the eutectic composition. If Al dendrites in Al-92 wt% Zn alloy were found to grow along ‹110› directions, Zn dendrites in Al-96 and 98 wt% Zn have ‹1010› trunks. This showed that aluminium could not in uence at such concentrations the weak anisotropy of zinc in the basal plane. In the lamellar eutectic, a crystallographic relationship has been found between the dense plane of each phase, i.e., {111}fcc ‖ {0001}hcp, and the dense directions, i.e., ‹110›fcc ‖ ‹1210›hcp. On the other hand, the selection of grains and the evolution of the texture in Directionally Solidified (DS) specimens was analysed. The solidification texturing of ‹hk0› dendritic specimens was shown to be similar to that occurring in normal ‹100› specimens. It was explained on a similar basis by considering a random orientation distribution of nuclei at the surface of the chill plate and a minimum undercooling criterion. This produces ‹hk0› textures with grains that look fairly "equiaxed" in transverse sections. For seaweed morphologies, which exhibit also a ‹hk0› texture parallel to the thermal gradient, the grain selection is slower and the grains appear more elongated in transverse sections. Their elongation occurs along a (001) plane, i.e., along a ‹120› direction for ‹210› seaweeds (CΖn = 30 wt%) and along a ‹110› direction for ‹110› seaweeds (CΖn = 55 wt%). SEM observations reveal that this elongation is accompanied by a microsegregation pattern that is mainly parallel to a (001) planes. This indicates that seaweeds at the onset and end of the DOT grow with some type of layered structures, but their detailed growth and grain selection mechanisms are still unknown.
    Résumé
    Les alliages d'aluminium-zinc constituent une partie importante des alliages usinés et sont aussi utilisés comme couche anti-corrosion sur les tôles d'acier. Ils sont aussi intéressants d'un point de vue fondamental puisque le zinc, élément hexagonal compact, peut être additionné à l'aluminium jusqu'à un taux élevé de 94 pct pds en conservant la structure cubique face centrée de ce dernier. Les structures de type dendritique sont très communes dans la plupart des alliages métalliques après solidification. Résultant d'une instabilité de l'interface solide-liquide, ces dendrites ont tendance à se développer le long de directions particulières. Les alliages métalliques de type cubique tels que ceux à base de nickel (cubique face centrée) produisent des dendrites dont la croissance est contrainte le long des directions ‹100› : elles sont la preuve d'une assez forte anisotropie de l'énergie interfaciale solide-liquide γsl le long de ces directions. Les premières morphologies dendritiques inhabituelles observées dans les alliages d'aluminium ont été reportées il y a plus d'un demi-siècle pour des grains qualifiés de maclés (ou des dendrites maclées) [1]. En tentant de reproduire de telles morphologies en laboratoire par des solidifications directionnelles et Bridgman, Henry et al. [2] ont obtenu d'autres morphologies dépendant de la composition de l'alliage, de la vitesse et du gradient thermique. Ainsi, des morphologies dendritiques variées telles que des dendrites ‹110› non maclées avec des bras secondaires ‹100› et ‹110› ou des dendrites avec un tronc ‹100› et des bras secondaires fractaux à 45 deg. du tronc primaire ont été obtenus. Peu après, Sémoroz et al. [3] ont observé des croissances dendritiques particulières dans un revêtement de composition Al-45 pct pds de Zn déposé sur une feuille de métal par la méthode de "hot dipping". Des directions de croissance dendritique ‹320› ont été observées dans des grains ayant des orientations diverses par rapport à la surface du revêtement. Ces observations ont été expliquées par Henry et al. [2] et Sémoroz et al. [3] comme étant dues à une modification de la faible anisotropie de l'énergie interfaciale γsl de l'aluminium induite par l'ajout d'un élement de soluté (tel que le zinc), présentant une forte anisotropie de l'énergie interfaciale γsl. A partir de ces travaux récents, une question s'est naturellement posée : Quelle est l'influence d'élément de soluté sur la faible anisotropie de l'énergie interfaciale de l'aluminium ? Le zinc peut-il progressivement modifier cette anisotropie lorsque sa teneur augmente, et donc modifier les morphologies de croissance dendritiques ? Pour tenter de répondre à cette question, deux types d'expériences de solidification dirigées ont été réalisées sur une large gamme de composition d'alliages Al-Zn (diagramme de type eutectique (à 94 pct pds Zn)) : l'une de type Bridgman et l'autre de type solidification dirigée. Les résultats obtenus sur ces alliages ont montré des morphologies de solidification assez particulières avec notamment des troncs (et bras) de dendrites croissant selon des directions ‹100› à faible teneur en zinc (< 20% pds) et des directions ‹110› au delà de 60% pds de Zn. Une transition continue des directions de croissance de ‹100› à ‹110› contenue dans un plan (001) a été mise en évidence pour des compositions intermédiaires. Cette transition d'orientation de dendrites, appelée DOT, permet par exemple de produire des dendrites ‹320› pour une composition de 50 % pds de zinc. Au départ et à la fin de la DOT, soit vers 30% et 55% pds de zinc, des structures de type "seaweed" ne présentant pas de bras primaires et secondaires distincts mais offrant tout de même une texture ont été mises en évidence. Cette transition a été interprétée comme étant due à une modification de l'anisotropie de l'énergie interfaciale γsl. Les premiers termes de développement de γsl dans les harmoniques sphériques pour une symétrie cubique ont pu être reliés de manière semi-quantitative à la concentration de zinc. Afin de voir s'il était possible aussi d'influencer les directions de croissance des dendrites de zinc par l'ajout d'aluminium, la partie hyper-eutectique du diagramme de phase Al-Zn a été également étudiée. On a observé que les troncs primaires croissent selon des directions ‹1010› indépendemment de la teneur en Al. Dans les lamelles eutectiques, une relation cristallographique a pu être trouvée entre les plans denses de chaque phase, i.e., {111}fcc ‖ {0001}hcp, et les directions denses, i.e., ‹110›fcc ‖ ‹1210›hcp. L'influence de cette transition des directions de croissance sur le mécanisme de compétition de croissance, de sélection des grains et d'évolution de la texture a été étudiée. Le mécanisme de texturation des échantillons dendritiques ‹hk0›, semblable à celui se produisant dans les échantillons de type ‹100›, a été analysé de manière similaire à celle utilisée par Gandin [4] pour ces dernières. Dans des coupes transverses les grains dendritiques texturés ‹hk0› semblent quasiment équiaxes, ce qui n'est pas le cas des grains des morphologies seaweed texturées. Le mécanisme de sélection de ces grains est également plus lent que celui des grains dendritiques. Une visualisation 3D des dendrites conventionnelles de type ‹110› et seaweed a permis une meilleure compréhension et une caractérisation plus précise de ces types de croissance. Enfin des simulations de croissance 3D par la méthode de champ de phase ont permis également de reproduire les morphologies dendritiques obtenues expérimentalement et d'obtenir les valeurs d'anisotropie à implémenter selon la composition de l'alliage.