Vieillissement des alliages : une mayonnaise qui tombe plus vite que prévu

Les composants électroniques et les pièces mécaniques rompent car avec le temps, les alliages qui les composent vieillissent. Tous les métaux ou alliages possèdent des défauts, appelés dislocations, responsables de la plupart de leurs propriétés mécaniques. Ces mêmes défauts sont soupçonnés, depuis une cinquantaine d’années, d’être à l’origine d’un vieillissement prématuré des alliages. Grâce aux observations faites par une équipe du CEMES-CNRS de Toulouse, des chercheurs viennent de démontrer que la présence de défauts accélère effectivement le processus de vieillissement des matériaux à base d’alliages.

Ils ont étudié un matériau couramment utilisé en électronique comme connexion métallique dans les microprocesseurs. Constitué d’un film d’aluminium et d’inclusions de nanoparticules de silicium, cet alliage est comme une mayonnaise (fines gouttelettes d’huile baignant dans de l’eau). Certains défauts de la structure cristalline de l’aluminium créent des canaux microscopiques reliant les nanoparticules de silicium les unes aux autres. Cette configuration permet aux atomes de silicium de se déplacer rapidement d’une particule à l’autre ; Marc Legros va jusqu’à qualifier ces défauts de « toboggans à atomes ». Au cours du temps, les particules les plus petites fondent et les atomes qui les composent viennent grossir les particules les plus grosses. Alors qu’ils étaient intimement mêlés, le silicium et l’aluminium se séparent, comme le font l’huile et l’eau d’une mayonnaise qui tombe. Ce phénomène dynamique entraîne alors la destruction de l’alliage et de ses propriétés.

C’est la disparition très rapide d’une petite « goutte de silicium » au profit d’une plus grosse que les chercheurs du CEMES-CNRS ont suivie en direct par microscopie électronique à transmission, une première. Ce phénomène est appelé « diffusion à cœur » (« pipe-diffusion » en anglais). Alors que les atomes de silicium peuvent se déplacer lentement dans l’aluminium, les chercheurs ont démontré, en réitérant cette expérience à différentes températures, que la présence d’une dislocation cristalline multiplie par mille la vitesse de transfert des atomes de silicium d’une nanoparticule à l’autre. Ainsi la « mayonnaise » tombe plus rapidement en présence de défauts.

Cette étude apporte une pièce au puzzle de la compréhension du vieillissement des alliages. Ces travaux devraient permettre d’améliorer la modélisation de ce phénomène très complexe. En particulier, les chercheurs souhaitent pouvoir maîtriser le vieillissement des interconnexions à base d’aluminium dans les microprocesseurs et mieux appréhender le comportement mécanique d’alliages utilisés, par exemple, dans les moteurs d’avion.

Observation d’un film d’aluminium à 420°C au microscope électronique à transmission. La plus petite nanoparticule de silicium (P1) se vide anormalement vite à travers la dislocation (d1) pour venir grossir la nanoparticule (P2), jusqu’à disparaître.

Notes : (1) Marc Legros, CEMES-CNRS, Toulouse
(2) Gerhard Dehm, Erich Schmid Institute of Materials Science, Austrian Academy of Sciences, Department Materials Physics, University of Leoben, Autriche Eduard Arzt, INM-Leibniz Institute for New Materials , Saarbrücken, Allemagne T. John Balk, Department of Chemical and Materials Engineering, University of Kentucky, Lexington, Etats-Unis