Les alliages innovants à haute entropie, fabriqués grâce à la fabrication additive au laser, offrent une résistance et une ductilité sans précédent pour les applications industrielles. Ces nouveaux matériaux, analysés avec des techniques avancées, promettent des performances accrues dans des conditions extrêmes. Crédit : Issues.fr.com
La fabrication additive par laser produit des alliages à haute entropie qui sont plus solides et moins susceptibles de se briser.
Les chercheurs fabriquent un type de matériau appelé alliages durables à haute entropie (HEA) en combinant plusieurs métaux élémentaires. Les HEA ont des utilisations potentielles dans des applications impliquant une usure sévère, des températures extrêmes, des rayonnements et des contraintes élevées.
Ils peuvent être fabriqués par impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive (FA), mais cela entraîne généralement une mauvaise ductilité. Cela signifie que les HEA imprimés en 3D sont difficiles à façonner et ne se déforment pas ou ne s’étirent pas suffisamment sous les charges pour éviter les fractures.
Les scientifiques ont désormais utilisé la fabrication additive laser pour former des HEA qui sont plus solides et beaucoup plus ductiles. Ils ont utilisé la diffusion des neutrons et des rayons X et la microscopie électronique pour mieux comprendre les mécanismes de ces améliorations de performances.
Applications industrielles potentielles et efficacité énergétique
L’industrie pourrait un jour utiliser des HEA plus solides et plus faciles à façonner dans le secteur manufacturier. Pour fonctionner dans ces applications, les pièces HEA légères et complexes doivent améliorer leur durabilité, leur fiabilité et leur résistance à la fracturation.
Cela profiterait aux consommateurs et à l’industrie, par exemple, en permettant la production de véhicules plus sûrs et plus économes en carburant, de produits plus solides et de machines plus durables. De plus, la fabrication additive laser, dans laquelle des lasers fusionnent des alliages en poudre pour obtenir des formes métalliques solides, est très économe en énergie. Cela le rend attrayant pour la production de nouveaux types de HEA.
Images des deux structures cristallines (à droite) trouvées dans un alliage à haute entropie (à gauche) fabriqué par fabrication additive. Crédit : Université du Massachusetts Amherst
Structure des nano-lamelles et propriétés mécaniques
Le processus de fabrication additive laser a produit des nanolamelles (fines couches de plaques) d’une épaisseur nanométrique offrant une résistance élevée, tandis que les bords distincts des plaques permettent un certain degré de glissement (ductilité). Les plaques sont constituées d’une alternance de couches de structures cristallines cubiques à faces centrées (FCC) d’une épaisseur moyenne d’environ 150 nanomètres et de structures cristallines cubiques centrées sur le corps (BCC) d’une épaisseur moyenne d’environ 65 nanomètres.
Les nouveaux HEA présentaient des limites d’élasticité élevées d’environ 1,3 gigapascals, dépassant les alliages de titane les plus résistants. Ces HEA offrent également un allongement d’environ 14 %, ce qui est supérieur à celui des autres alliages métalliques de fabrication additive, à limite d’élasticité identique. L’allongement est une mesure de la flexion qu’un matériau peut supporter sans se briser.
Techniques et installations de recherche avancées
Les données neutroniques de la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie (DOE) du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), ont permis aux chercheurs d’examiner le partage de charge mécanique intérieure des échantillons HEA sous contrainte.
Les chercheurs ont utilisé un atome instrument de sonde au Centre pour les sciences des matériaux nanophases, également une installation utilisateur du DOE à l’ORNL, pour capturer des images 3D détaillées des compositions et des microstructures, constituées de couches de nano-lamelles alternées.
Les phases de différents échantillons recuits ont été étudiées par diffraction des rayons X à l’Advanced Photon Source, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science au Argonne National Laboratory.
Cette recherche a été réalisée à la source de neutrons de spallation, à la source de photons avancée et au centre des sciences des matériaux nanophases, qui sont tous des installations utilisatrices du bureau scientifique du DOE. Le soutien financier pour ce travail comprenait la National Science Foundation, l’Université du Massachusetts Amherst et le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du Lawrence Livermore National Laboratory.
