Tension superficielle des métaux liquides et capillarité

Une propriété fondamentale des liquides est leur tendance à se contracter de façon à présenter la surface la plus faible possible. Cette propriété est prise en compte par la grandeur tension de surface, ou par la grandeur équivalente énergie de surface. L’énergie de surface est un paramètre important intervenant dans de nombreux procédés d’élaboration et de mise en forme des matériaux métalliques. Ainsi, l’énergie de surface d’un liquide influence son aptitude à mouiller la surface d’un solide. Les phénomènes de mouillage sont d’une grande importance dans le procédé de galvanisation des aciers par immersion, et dans l’élaboration des matériaux composites par des techniques d’infiltration. De même, ces phénomènes sont essentiels dans l’assemblage de pièces solides par des alliages de brasure et affectent directement les interactions entre le métal fondu et les matériaux de creuset ou de moule. Les variations de tension de surface en fonction de la température et/ou de la composition du liquide entraînent des mouvements convectifs dans le liquide connus sous le nom de convection Marangoni. Ce type de convection intervient dans certains procédés de cristallogenèse et devient prédominant dans le cas de films minces par exemple lors du soudage. Par ailleurs, il existe tout un ensemble de procédés dans lesquels on crée une dispersion d’un métal ou d’un alliage sous forme de gouttelettes (techniques d’atomisation par jet de gaz, disque tournant, électrode consommable tournante…). Une fois formées, ces gouttelettes peuvent être soit solidifiées pour obtenir une poudre, soit projetées sur une surface pour créer un revêtement. Le point commun de ces procédés est la création d’une grande quantité de surface libre du métal liquide, et l’énergie de surface est, à ce titre, un facteur clef dans la formation et la distribution de taille des gouttes.

Ce travail est une revue des résultats expérimentaux de la littérature relatifs à la tension de surface et au coefficient de température des métaux purs. Depuis une trentaine d’années, notre connaissance des propriétés énergétiques des surfaces métalliques liquides a progressé de façon significative grâce surtout au développement de méthodes de mesure sans contact. Ces méthodes, qui permettent de supprimer la pollution provenant des creusets ou des substrats utilisés dans les méthodes conventionnelles, ont été appliquées avec succès, notamment aux métaux réfractaires.

Cet article décrit tout d’abord le rôle de l’énergie de surface et de la capillarité dans les différents processus cités précédemment (mouillage, infiltration, convection Marangoni). Par la suite, après avoir défini les grandeurs énergie de surface et tension de surface et leur équivalence, un modèle thermodynamique est présenté permettant l’évaluation de l’énergie de surface et de sa variation avec la température pour les métaux purs. L’effet de l’oxygène présent dans pratiquement toutes les installations d’élaboration et de traitement des métaux liquides est ensuite détaillé, cette impureté étant réputée pour avoir une forte influence sur l’énergie de surface des métaux. Dans la majorité des applications, les phases métalliques sont constituées de plusieurs constituants, d’où l’intérêt de présenter un modèle permettant d'évaluer l’énergie superficielle des alliages. Les principales méthodes de mesure de la tension superficielle des métaux et alliages sont ensuite décrites, avant de présenter, sous forme de tableau, les valeurs expérimentales de la tension de surface et de son coefficient de température, en insistant sur la précision des valeurs retenues.