Les mécanismes de formation de la phase MgAl₂O₄, dans les composites Al-Mg (1%poids) renforcés avec Al₂O₃, ont été étudiés. À cette fin, différentes techniques de caractérisation ont été utilisées. Une emphase particulière a été mise sur la spectroscopie de pertes d'énergie des électrons transmis ("Electron Energy Loss Spectroscopy", ou EELS) par une étude des limites de quantification et le développement de la technique d'imagerie en détection parallèle. Les effets de la tension d'accélération des électrons incidents sur les limites de détection ont été évalués. Des tensions élevées (200-300 kV) permettent l'augmentation d'un paramètre défini comme un rapport signal-sur-bruit effectif suite à la réduction de la largeur de la distribution angulaire de diffusion. Cependant, pour des échantillons minces, des énergies incidentes moins élevées doivent être utilisées afin d'améliorer les limites de détection. Le système d'imagerie EELS développé permet l'acquisition et le traitement d'un spectre de 1 024 canaux à chaque pixel d'une image. Les limites de détection en imagerie EELS ont été étudiées en fonction du numéro atomique des espèces chimique étudiées, de la résolution spatiale désirée et de la gamme d'énergie d'intérêt.

En ce qui a trait à la formation de MgAl₂O₄ (la seule phase en formation observée dans la gamme de température 675°C-800°C), les expériences de réaction ont été effectuées en prémier lieu sur des matériaux composites élaborés à l'état liquide. Par une analyse des échantillons prélévés à différents temps et températures de réaction, nous avons constaté que la germination à basse température (700°C) se produit initialement sur des sites hétérogènes secondaires (joints de grain, fissures, dislocations, etc.). À basse (700°C) comme à haute température (800°C), le temps de germination calculé à partir de modèles cinétique tirés de la littérature concemant ce système, correspond à la formation de MgAl₂O₄ sur les surfaces de renfort qui agissent de substrat. Le modèle de formation proposé est le suivant. À partir de la présence des germes, la croissance a lieu vers le liquide et vers le substrat à partir d'une réaction ayant lieu en phase liquide. Les espèces chimiques nécessaires à la formation de MgAl₂O₄ en phase liquide proviennent de l'alliage (Al-Mg) et de la dissolution de l'alumine par une réaction intermédiaire. Lors de la croissance vers le substrat, le transport des produits de réaction s'effectue le long de bandes d'alliages dans le plan de l'interface Al₂O₃-MgAl₂O₄. Il a été constaté que la croissance de MgAl₂O, se produit par le dévelopment des facettes de type {111}. Dans ces conditions, la précipitation de MgAl₂O₄ intervient sur des sites cristallographiquement similaires alignés dans une direction de type (110). La croissance est donc cinétiquement équivalente à un développement unidimensionnel. Ces résultats permettent d'expliquer les courbes experimentales de la cinétique de la réaction de formation de MgAl₂O₄ présentées dans la littérature pour lesquelles l'application de l'équation d'Avrami-Erofe'ev donne un exposant n=1. Outre la caractérisation de la formation de MgAl₂O₄, dans les composites, des expériences de réaction entre l'alliage et l'alumine ont été effectuées avec des monocristaux d'Al₂O₃ de différentes orientations afin d'identifier l'influence de la cristallographic sur la morphologie de la phase MgAl₂O₄, sur la cinétique de la réaction, la germination et la croissance à 700°C et 800°C. Les monocristaux étaient plongés simultanément, avec un porte échantillon spécialement conçu, dans un bain d'alliage (Al- Mg) et maintenus, alors qu'un brassage par rotation était effectuée, dans le liquide pendant des temps prédeterminés. Pour toutes les orientations de substrat, la croissance du spinelle survient par le développement de facettes {111} vers le liquide ou l'alumine et la morphologie observée varie selon la cristallographie du substrat. La caractérisation a été effectuée par microscopie en transmission conventionnelle et à haute résolution, à balayage, en spectroscopie des rayons X en sélection d'énergie, EELS, imagerie EELS en collection parallèle et diffractions des rayons X. La microanalyse quantitative a permis de confirmer la stachiométrie de la phase MgAlО. De plus, par EELS, nous avons mesuré la composition de l'alliage dans les bandes présentes entre Al₂O₃ et MgAl₂O₄ en utilisant les déplacements des pics des plasmons de l'aluminium. La relation d'orientation entre le substrat (0001) (Al₂O₃) et MgAl₂O₄ (111) a été déterminée par microscopie électronique en transmission et par des diagrammes de Kikuchi en électrons rétrodiffusés. Des mesures plus précises ont été également effectuées en diffraction des rayons X.

Les résultats ont permis de suggérer un modèle structural atomique de configuration entre les réseaux de Al₂O₃, et MgAl₂O₄ lors de la croissance de plans (111) sur une surface d'alumine orientée (0001) et d'identifier une orientation de substrat (la surface (0001)) pour laquelle la formation de MgAl₂O₄ est retardée. Afin d'expliquer ces différences de densité de germination selon l'orientation cristallographique, la contribution d'une énergie mécanique élastique anisotrope a été évaluée pour un germe précipitant sur une surface (0001). Des suggestions d'intérêt pratique sont donc proposées.

A study of the mechanisms of formation of the MgAl₂O₄ phase in Al-Mg (1% by weight) composites reinforced with Al₂O₃ was carried out. To this end, different characterization techniques were used. A special emphasis was put on Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS), by studying the quantification limits and the development of a parallel detection imaging technique. An evaluation was carried out of the effects of the incident electron energy on detection limits. By using high accelerating voltage levels (200-300 kV) an increase in the effective signal to noise ratio was obtained by reducing the width of the angular scattering distribution. However, for thin samples, lower incident energies should be used in order to improve the detection limits. With the EELS imaging system that has been developed, the acquisition and processing of a 1 024 channel spectrum at each pixel of the image can be carried out. The EELS imaging detection limits were studied in relation to the atomic number of the chemical element of interest, the spatial resolution and the range of energies of interest.

As regards the formation of MgAl₂O₄ (the only phase observed in the 675°C- 800°C temperature range), our experiments were carried out initially on composite materials processed in the molten state. By analyzing the samples obtained at different reaction times and temperatures, we observed that nucleation at low temperature (700°C) is initially produced at secondary heterogeneous sites (grain boundaries, cracks, dislocations, etc.). At low (700°C) as well as high (800°C) temperatures, the nucleation times, calculated from kinetic models related to this system found in the literature, correspond to the formation of MgAl₂O₄ on the reinforcement surfaces which act as a substrate. Based on observations, the proposed phenomenological model is the following. Starting from the nucleus formation, growth takes place towards the liquid and the substrate, in a liquid phase reaction. The chemical elements necessary for the formation. of MgAl₂O₄ from the liquid phase, come from the (Al-Mg) alloy and from the dissolution of alumina in an intermediate reaction. During the growth towards the substrate, reactants are transported along alloy bands at the Al₂O₃ - MgAl₂O₄ interface plane. The growth of MgAl₂O₄ is produced by the development of type {111} facets. In these conditions, the precipitation of MgA,C, is known to intervene in equivalent crystallographic sites that are aligned similarly in a direction of the type (110). The growth is, therefore, kinetically equivalent to a unidimensional development. These results explain the experimental curves for the reaction kinetics for the formation of MgAl₂O₄ that are presented in the literature, for which the application of the Avrami-Erofe'ev equation yields an exponent n=1. In addition to the characterization of the formation of MgAl₂O₄ in the composites, experiments of the reaction between the alloy and alumina were carried out with Al₂O₃ single crystals of different orientations in order to identify the influence of the crystallography on the morphology of the MgAl₂O₄ phase, the kinetics of the reaction and the nucleation and growth at 700°C and 800°C. Using a specially designed sample holder, the single crystals were simultaneously immersed in the liquid alloy while rotating and were maintained for preselected periodes of time. For all substrate orientations, the growth of the spinel phase occurs by the development of {111} facets towards the liquid or the substrate and the observed morphology varies depending on the substrate crystallography. The characterization was carried out using conventional and high resolution transmission electron microscopy, scanning microscopy, energy dispersive X-ray spectrometry, EELS, parallel EELS imaging and X-ray diffraction. Quantitative microanalysis was used to confirm the stoichiometry of the MgAl₂O₄, phase. In addition, using EELS we have measured the composition of the alloy in the bands that are present between Al¿0, and MgAl₂O₄ by using the displacement of the plasmon peaks of aluminium. Transmission electron microscopy and electron backscattered Kikuchi patterns were used to determine the relative orientation between the substrate (0001) (Al₂O₃) and MgAl₂O₄ (111). More precise measurements were also carried out by X-ray diffraction.

The results allow us to propose a model for the atomic structure configuration between the 0, and MgAl₂O₄ lattices during the growth of (111) planes on an alumina surface with a (0001) orientation and to identify the substrate orientation (the (0001) surface) for which the formation of MgAl₂O₄ is retarded. In order to explain these differences in nucleation density according to the crystallographic orientation, the contribution of an anisotropic mechanical elastic energy was evaluated for a nuclcus precipitated on a (0001) surface. Suggestions of a practical nature are, consequently, proposed.