Évolution de la composition et fraction des nanoparticules dans le vieillissement bi-étagé d'alliages Al-Zn-Mg révélée par APT et HRTEM

Résumé

Dans cette étude, nous avons employé la tomographie par sonde atomique (APT) en tandem avec la microscopie électronique en transmission haute résolution (HRTEM) pour quantifier la taille, la fraction et la composition chimique des précipités formés lors d'un protocole de vieillissement bi-étagé à double pic pour un alliage Al-Zn-Mg. Nous avons trouvé que la teneur en aluminium des nanoparticules est fortement dépendante de la taille : les particules de rayon équivalent inférieur à ~3 nm contiennent >50 at.% Al, tandis que celles supérieures à ~5 nm en contiennent <40 at.%. La transformation des zones Guinier-Preston (G.P.) vers la phase d'équilibre η se fait via un intermédiaire η′ qui incorpore plus de Mg et Zn, déplaçant l'Al. Au premier pic de vieillissement, les zones G.P. représentent ~85 % de toutes les nanoparticules, tandis qu'au second pic les phases η′ dominent (~55 %). Même après un sur-vieillissement prolongé (T73), les zones G.P. persistent à ~20 % et les phases η constituent ~63 % de la population de précipités, soulignant leur influence sur la performance mécanique.

Contexte

Les alliages Al-Zn-Mg (et Al-Zn-Mg-Cu) reposent sur le durcissement par précipitation pour atteindre une haute résistance. Les séquences de précipitation classiques pour ces systèmes progressent d'une solution solide sursaturée à travers des zones G.P. cohérentes, des intermédiaires η′ semi-cohérents, jusqu'aux phases η (MgZn₂) d'équilibre incohérentes. Des travaux antérieurs ont identifié deux pics de dureté distincts dans un régime de vieillissement bi-étagé, attribuant le premier pic aux zones G.P. et le second aux phases η′. Cependant, la microscopie électronique en transmission (MET) conventionnelle n'offre qu'une vision bidimensionnelle, limitant la détermination précise des fractions et compositions des précipités. La tomographie par sonde atomique (APT), avec sa résolution 3D sous-nanométrique, fournit un cartographie élémentaire précise et est particulièrement adaptée pour combler ces lacunes. Bien que des études APT antérieures aient rapporté des rapports Zn/Mg et teneurs en Al variables dans les précipités Al-Zn-Mg, aucune n'a suivi de manière exhaustive l'évolution des fractions de chaque type de précipité sur toute la séquence de vieillissement. Ce travail comble cette lacune en combinant APT et HRTEM pour fournir une vue à pleine échelle de l'évolution des nanoparticules, guidant ainsi l'optimisation des programmes de vieillissement pour une performance d'alliage supérieure.

Méthodes

Matériau

L'alliage étudié (7N01) contient 4,06 % en poids Zn, 1,30 % Mg, 0,30 % Mn, 0,18 % Cr, 0,13 % Zr, 0,05 % Ti, et le reste Al. Les éprouvettes étaient traitées par extrusion, trempées par aspersion d'eau, vieillies naturellement pendant 72 h, puis soumises à une séquence de vieillissement artificiel bi-étagé : 100 °C pendant 12 h suivi de 170 °C pour des durées variables.

Caractérisation

La dureté était mesurée avec un durmomètre micro. L'imagerie HRTEM était réalisée sur un FEI Tecnai F20 pour identifier la morphologie des précipités et les relations d'orientation. Les données APT étaient collectées sur un CAMECA LEAP 5000 XR, opérant à 50 K avec un schéma de pulsation tension 200 kHz. La préparation d'éprouvettes impliquait un protocole d'électropolissage en deux étapes (10 % acide perchlorique dans l'acide acétique, puis 4 % acide perchlorique dans le 2-butoxyéthanol). Les reconstructions 3D et analyses de composition étaient effectuées avec le logiciel Imago Visualization and Analysis Software (IVAS) v3.8.0, utilisant une surface isoconcentration à 12,0 at.% (Mg+Zn) pour délimiter les précipités.

Résultats et discussion

Le programme de vieillissement bi-étagé a produit quatre états distincts : sous-vieilli (UA), premier pic (PAI), second pic (PAII) et sur-vieilli (T73). Les données de dureté (Fig. 1) confirment une chute d'environ 15 % du premier au second pic. Les images HRTEM (Fig. 2) révèlent des zones G.P. pleinement cohérentes en UA, des zones légèrement grossies mais encore cohérentes en PAI, des phases η′ ellipsoïdales avec distorsion de réseau en PAII, et des phases η hexagonales pleinement incohérentes en T73.

Les reconstructions APT tridimensionnelles (Fig. 3) complètent les observations MET et fournissent des profils de composition quantitatifs. Les zones G.P. en UA ont une épaisseur moyenne de ~2 nm et contiennent ~13,8 at.% Zn, ~9,4 at.% Mg et ~75,8 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,5). En PAI, les mêmes précipités s'étendent à ~2,5 nm et s'enrichissent en Zn (≈ 23,6 at.%) et Mg (≈ 17,2 at.%), réduisant l'Al à ~57,5 at.%. Les précipités PAII sont des phases η′ ellipsoïdales avec ~30,3 at.% Zn, ~25,7 at.% Mg et ~43,4 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,2). En T73, la phase d'équilibre η (~6 nm d'épaisseur) contient ~50,2 at.% Zn, ~30,1 at.% Mg et ~17,7 at.% Al (Zn/Mg ≈ 1,7). Une tendance claire Al-dépendante de la taille émerge : les particules supérieures à 5 nm possèdent <40 at.% Al, tandis que celles inférieures à 3 nm en ont >50 at.%.

L'analyse des fractions (Fig. 5) montre que les zones G.P. dominent au premier pic (≈85 %) mais déclinent fortement au fur et à mesure que le vieillissement progresse. Les phases η′ montent à une fraction maximale (~55 %) en PAII avant de diminuer en T73, où les phases η deviennent majoritaires (~63 %) tandis que les zones G.P. conservent un modeste ~20 %. Ces tendances confirment le mécanisme de durcissement à double pic : zones G.P. pour le premier pic, η′ pour le second, et l'affaiblissement de la dureté en T73 dû à la phase η moins efficace.

Conclusions

1. Dans l'alliage vieilli au premier pic, les zones G.P. représentent ~92,5 % de tous les précipités et contiennent >50 at.% Al, délivrant la dureté maximale.
2. Le second pic de dureté provient d'un mélange de phases η′ (~54,5 %) et de zones G.P. résiduelles (~22,7 %). Les phases η′ présentent une teneur en Al et une taille intermédiaires entre zones G.P. et phases η.
3. Les phases η n'apparaissent qu'après le second étage de vieillissement, avec une teneur en Al <40 at.% et rayons équivalents >5 nm. En T73, les phases η occupent ~63 % de la population de précipités, tandis que leur teneur en Al décline progressivement avec un vieillissement supplémentaire.
4. Les zones G.P. persistent pendant le sur-vieillissement car les atomes de Mg et Zn alimentent préférentiellement les plus grandes phases η, limitant la croissance des plus petites zones G.P. et leur permettant de rester riches en Al.