Microstructure-process relationship and reactivity at the nanoscale : a molecular dynamics study of Ni, Ni-Al, and Ti-Al metallic systems

The process-microstructure relationship is central in materials science because the microstructure will determine the properties of the materials developed by the processes. In our work, we focused on different metallurgical processes by adopting a description at the atomic scale. This approach allows us to detect the elementary mechanisms that are at the origin of the observed microstructures without having to postulate macroscopic mechanisms or estimate the associated parameters. In this respect, molecular dynamics simulations provide a tool for "in-situ" observation of metallic systems as long as an atomic interaction potential is available. The originality of our approach consists in modeling the characteristics of the processes at nanometric scales. In the context of powder metallurgy, we focused on the additive manufacturing of metallic materials and the activation of metallic powders by high-energy milling. We performed molecular dynamics simulations to understand the directional solidification processes at the nanoscale of a pure Ni polycrystalline metal in the context of additive manufacturing. Various microstructures were observed as a function of thermal conditions. Solidification and nucleation were also compared to classical solidification and nucleation theories to establish their validity at the nanoscale. We modeled the milling process by mechanical treatment with compaction and plastic deformation to observe the action of grinding balls on a binary mixture of powders. This approach allows us to understand the behavior of mechanically activated powders (Ti+Al and Ni+Al) by characterizing atom mobility, structural transformations and reactivity. We also studied the reactivity of a Ti-Al nanometric multilayer model similar to the materials obtained after high-energy milling. We have highlighted several elementary mechanisms responsible for their increased reactivity, such as dissolution at the Ti(solid)/Al(liquid) interfaces and the formation of an intermetallic (TiAl3).
La relation procédé-microstructure est centrale en sciences des matériaux car la microstructure va déterminer les propriétés des matériaux élaborés par les procédés. Dans notre travail, nous nous sommes intéressés à différents procédés de métallurgie en adoptant une description à l'échelle atomique. Cette approche permet de déceler les mécanismes élémentaires qui sont à l'origine des microstructures observées sans avoir à postuler des mécanismes macroscopiques et estimer les paramètres associés. A cet égard, les simulations par dynamique moléculaire fournissent un outil d'observation "in-situ" des systèmes métalliques pour autant qu'un potentiel d'interaction atomique soit disponible. L'originalité de notre démarche a été de modéliser les caractéristiques des procédés aux échelles nanométriques. Dans le contexte de la métallurgie des poudres, nous nous sommes intéressés à la fabrication additive de matériaux métalliques et à l'activation des poudres métalliques par broyage à haute énergie. Nous avons réalisé des simulations de dynamique moléculaire afin de comprendre les processus de solidification directionnelle à l'échelle nanométrique d'un métal polycristallin de Ni pur dans le contexte de la fabrication additive. Différentes microstructures ont été observées en fonction des conditions thermiques. La solidification et la nucléation ont également été comparées aux théories classiques de la solidification et de la nucléation afin d'en établir la validité aux échelles nanométriques. Nous avons modélisé le procédé de broyage par un traitement mécanique sous la forme d'une compaction et d'une déformation plastique pour rendre compte de l'action des billes de broyage sur un mélange binaire de poudres. Cette approche permet de comprendre le comportement des poudres activées mécaniquement (Ti+Al et Ni+Al) en caractérisant la mobilité des atomes, les transformations structurelles et la réactivité. Nous avons également étudié la réactivité d'un modèle multicouche nanométrique Ti-Al similaire aux matériaux obtenus après un broyage très énergétique. Nous avons mis en évidence plusieurs mécanismes élémentaires responsables de leur réactivité exacerbée comme la dissolution aux interfaces Ti(solide)/Al(liquide) et la formation d'intermétallique (TiAl3).