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RÉSUMÉ
La matière à l’état amorphe est connue depuis longtemps puisque cet état structural est celui des verres de silice élaborés par refroidissement naturel de mélanges d’oxydes fondus, quasiment depuis la nuit des temps. L’obtention d’amorphes métalliques synthétiques est relativement récente et a initié un grand nombre de recherches fondamentales et appliquées. Parce que les débouchés étaient séduisants, notamment dans le domaine de l’électrotechnique, ces nouveaux matériaux ont bénéficié de développements rapides à l’échelle industrielle. Le caractère métallique, mais l’absence d’ordre à longue distance dans les verres métalliques, leur confèrent des propriétés différentes de leurs homologues cristallins.
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Yannick CHAMPION : Directeur de recherche CNRS - Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est
INTRODUCTION
Les tous premiers amorphes métalliques synthétiques sont rapportés dans la littérature par Kramer, dans les années 1930, lors de ses études sur les propriétés électriques de films minces métalliques. Des verres Au-Si étaient obtenus par évaporation sous vide et condensation de l’alliage sur une surface refroidie par de l’azote liquide.
La matière à l’état amorphe, au sens général, était connue depuis longtemps puisque c’est l’état structural des verres de silice usuels élaborés par refroidissement naturel de mélanges d’oxydes fondus. Toutefois, c’était la première fois que l’état amorphe était obtenu par refroidissement de composés essentiellement métalliques. Les propriétés de ces nouveaux matériaux ont été rapidement identifiées, leur originalité a initié un grand nombre de recherches fondamentales et appliquées (voir § 1).
Du fait des propriétés particulièrement séduisantes de certains alliages, les méthodes de production ont été développées à l’échelle pilote, puis à l’échelle industrielle. C’est le cas du « melt-spinning » pour la fabrication des renforts pour béton et des alliages pour aimants permanents, et du flot planaire pour les alliages magnétiques doux, matériaux concurrents des Fe Si orientés, des Fe Ni et des ferrites. Ces machines sont dotées d’une forte productivité, les rubans défilent jusqu’à 20 m/s, et assurent la mise en forme directe des bandes à partir de l’état liquide.
Les verres métalliques massifs sont innovants pour leurs propriétés mécaniques (forte résistance, jusqu’à 4GPa, ténacité raisonnable de 10 à
), mais nécessitent encore des améliorations en termes de comportement (en particulier l’absence de ductilité reste rédhibitoire) et de formabilité, pour trouver des applications.
Un ensemble de technique d’élaboration d’alliages amorphes est détaillé dans le § 2.4.
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Propriétés des matériaux amorphes
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2. Préparation des matériaux métalliques amorphes
2.1 Taux de refroidissement et capacité à l’amorphisation
Les premiers alliages métalliques amorphes obtenus par trempe rapide ont été élaborés dans un dispositif imaginé par l’équipe de P. Duwez, où une gouttelette d’alliage liquide est pulvérisée par un jet de gaz, avant de s’écraser sur une rampe en cuivre refroidi (figure 9). Les premiers échantillons, Au-Si, Pd-Si, ont été obtenus sous la forme de particules de quelques mg. Des efforts importants ont alors été nécessaires pour trouver des méthodes de trempe rapide, produisant des quantités appréciables de matériaux, puis des quantités à l’échelle industrielle .
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Entre la période des premiers alliages amorphes AuSi correspondant aux années 1960 et les bases Fe magnétiques des années 1980, on parlait essentiellement pour l’élaboration de trempe rapide, car la faible capacité à l’amorphisation (glass forming ability : GFA) de ces alliages nécessitait des vitesses de refroidissement de l’ordre de 106 K.s−1 et, donc, des équipements spécifiques.
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Avec la découverte d’alliages amorphes massifs (bulk metallic glass : BMG) dans les années 1990, leur forte capacité à l’amorphisation a permis de les obtenir avec des épaisseurs raisonnables (jusqu’à plusieurs centimètres) par coulée, solidification « classique » en creuset refroidi, et des vitesses allant jusqu’à 1 K.s−1. On ne parle plus ici, à tort, de trempe rapide ; pourtant l’échelle de temps associée à la dissipation thermique est très faible (taux de refroidissement très élevé) comparée à l’échelle de temps associée au mécanisme diffusionnel qui conduirait à la formation de cristaux.
Pour ces types d’amorphe, le refroidissement est très rapide, comparé à celui nécessaire à...
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Préparation des matériaux métalliques amorphes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KRAMER (J.), ZEITS (F.) - * - . – Physik 106 675 (1937).
-
(2) - KLEMENT (J.W.), WILLENS (R.H.), DUWEZ (P.) - * - . – Nature, 187 869 (1960).
-
(3) - DIXMIER (J.), DOI (K.) - * - . – CR hebd. Scéance Ac. Sc. 2451-2454 (21 oct. 1963).
-
(4) - SADOC (J.F.), DIXMIER (J.), GUINIER (A.) - * - . – J. non Cryst. Sol. 12 46-60 (1973).
-
(5) - DIXMIER (J.), BLETRY (J.), SADOC (J.F.) - * - . – J. Phys. Coll C2 sup. n° 4 36 65-68 (1975).
-
(6) - BERNAL (J.D.) - * - . – Nature 183 141-147, Nature 185 68-70 (1959) (1960).
-
(7) - GREER (A.L.) - * - ....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Leonardo ENERGY – The global Community for Sustainable Energy Professionals
http://www.leonardo-energy.org/selecting-least-cost-energy-efficient distribution-transformers
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Liquidmetal Technologies
2.1 Constructeurs – Fabricants
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Les rubans amorphes magnétiques sont fabriqués et/ou transformés aujourd’hui par de très nombreuses sociétés de plus au moins grande taille, certaines issues de laboratoires académiques, en Europe de l’est, Inde, Taiwan, Singapour et, surtout, en Chine.
Les fournisseurs et utilisateurs « historiques » sont :
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Hitachi metals et Toshiba (Japon) ;
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ArcelorMittal stainless steal and nickel, ex-Imphy (France) ;
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AlliedSignal, Metglass products (États Unis) ;
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AC, Vacuurnschmelze GmbH (Allemagne).
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Les verres métalliques massifs et les revêtements sont moins répandus, car plus récents et en cours de développement. La principale société fournissant des alliages est Liquidmetal...
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