Comment les scientifiques prédisent l’avenir des alliages complexes

Les amateurs de cuisine apprécient l’acier inoxydable pour sa durabilité, sa résistance à la rouille et sa cuisson uniforme lorsqu’il est chauffé. Peu connaissent pourtant le secret qui rend l’acier inoxydable si populaire. Le métal chrome contenu dans l’acier inoxydable réagit avec l’oxygène de l’air pour former une couche mince, stable et protectrice, protégeant ainsi l’acier sous-jacent.

Alliages pour environnements extrêmes

Actuellement, des scientifiques et ingénieurs conçoivent des alliages capables de résister à des environnements extrêmes, comme les réacteurs de fusion nucléaire, les vols hypersoniques et les moteurs à réaction à haute température. Pour ces applications, des combinaisons complexes de nombreux métaux, mélangés en proportions égales, sont testées. Ces alliages, appelés alliages à éléments multiples ou alliages à entropie moyenne à élevée, visent à atteindre des objectifs de conception tels que la résistance, la ténacité et la résistance à la corrosion.

Les chercheurs cherchent spécifiquement des alliages résistants à la corrosion, un processus appelé oxydation, qui se produit lorsque les métaux réagissent avec l’oxygène de l’atmosphère. Ces alliages sont généralement testés par une procédure «cuire et observer», où les matériaux d’alliage sont exposés à des environnements d’oxydation à haute température pour observer leur réaction.

Un outil prédictif innovant

Une équipe de recherche multidisciplinaire, dirigée par des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory et de la North Carolina State University, a combiné des expériences à l’échelle atomique avec la théorie pour créer un outil permettant de prédire le comportement des alliages à haute entropie dans des environnements oxydatifs à haute température. Cette recherche offre une feuille de route pour des cycles rapides de conception et de test d’alliages métalliques complexes résistants à l’oxydation.

Arun Devaraj, co-investigateur principal de l’étude et scientifique spécialisé dans la dégradation des métaux dans des environnements extrêmes, a déclaré : « Nous travaillons à développer un modèle à l’échelle atomique pour la dégradation des matériaux de ces alliages complexes, qui pourra ensuite être appliqué pour concevoir des alliages de nouvelle génération avec une résistance supérieure aux environnements extrêmes pour une grande variété d’applications telles que les industries aérospatiale et nucléaire. »

Une recette d’alliage complexe

Pour leurs expériences récentes, l’équipe de recherche a étudié la dégradation d’un alliage à haute entropie contenant des quantités égales de cobalt, chrome, fer, nickel et manganèse (CoCrFeNiMn, également appelé alliage de Cantor). L’équipe a examiné l’oxyde formé sur l’alliage de Cantor en utilisant diverses méthodes avancées à l’échelle atomique pour comprendre comment chaque élément s’organise dans l’alliage et l’oxyde.

Ils ont découvert que le chrome et le manganèse migrent rapidement vers la surface et forment des oxydes stables de chrome et de manganèse. Ensuite, le fer et le cobalt diffusent à travers ces oxydes pour former des couches supplémentaires.

En ajoutant une petite quantité d’aluminium, ils ont découvert que l’oxyde d’aluminium peut agir comme une barrière pour les autres éléments migrateurs, réduisant ainsi l’oxydation globale de l’alliage de Cantor contenant de l’aluminium et augmentant sa résistance à la dégradation à haute température.

Bharat Gwalani, co-auteur correspondant de l’étude, a déclaré : « Ce travail éclaire les mécanismes d’oxydation dans les alliages complexes à l’échelle atomique. En comprenant les mécanismes fondamentaux impliqués, ce travail nous donne une compréhension plus profonde de l’oxydation dans tous les alliages complexes. »

Modèles prédictifs

Arun Devaraj a ajouté : « Actuellement, il n’existe pas de modèles universellement applicables pour extrapoler comment un alliage complexe à éléments multiples s’oxydera et se dégradera au fil du temps dans un environnement d’oxydation à haute température. C’est un pas important dans cette direction. »

L’analyse minutieuse de l’équipe a révélé certaines règles universelles permettant de prédire comment le processus d’oxydation se déroulera dans ces alliages complexes. Les collègues en informatique de la NCSU ont développé un modèle appelé le Paramètre d’Interactivité Préférentielle pour la prédiction précoce du comportement d’oxydation dans les alliages métalliques complexes.

En fin de compte, l’équipe de recherche prévoit d’étendre cette recherche pour développer des alliages complexes avec des propriétés exceptionnelles à haute température, et de le faire très rapidement grâce à un échantillonnage et une analyse rapides. L’objectif ultime est de choisir une combinaison d’éléments favorisant la formation d’un oxyde adhérent, a déclaré Devaraj. « Vous savez que la formation d’oxyde se produira, mais vous voulez avoir un oxyde très stable qui sera protecteur, qui ne changera pas avec le temps et qui résistera à une chaleur extrême à l’intérieur d’un moteur de fusée ou de réacteurs nucléaires. »

Légende illustration: Des chercheurs ont mis au point un outil permettant de prédire le comportement de nouveaux alliages à haute entropie dans des environnements oxydatifs à haute température. Le développement de nouveaux alliages est important pour les industries de l’aérospatiale et de l’énergie nucléaire. Crédit : Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory