Impression 3D : vers une ère de matériaux indestructibles ?

Dans le monde de la science des matériaux, une nouvelle méthode de fabrication d’alliages à haute entropie (AHE) promet de transformer les industries nécessitant des matériaux résistants à l’usure, aux températures extrêmes, aux radiations et au stress élevé. Les chercheurs ont surmonté les défis de la ductilité limitée dans la fabrication additive de ces alliages.

Les alliages à haute entropie, obtenus en combinant plusieurs métaux élémentaires, ont des applications potentielles dans des environnements exigeants. Leur fabrication par impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, a généralement pour résultat une faible ductilité. Cela signifie que les AHE imprimés en 3D sont difficiles à façonner et ne se déforment pas suffisamment sous charge pour prévenir les fractures.

Les scientifiques ont maintenant utilisé une fabrication additive basée sur le laser pour former des AHE qui sont plus résistants et beaucoup plus ductiles. Ils ont utilisé la diffusion de neutrons et de rayons X et la microscopie électronique pour mieux comprendre les mécanismes de ces améliorations de performance.

Implications pour l’industrie

L’industrie pourrait un jour utiliser des AHE plus résistants et plus facilement façonnables dans la fabrication. Pour fonctionner dans ces applications, les pièces AHE légères et complexes ont besoin d’une durabilité, d’une fiabilité et d’une résistance aux fractures améliorées. 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 résistants et de machines plus durables.

De plus, la fabrication additive basée sur le laser, dans laquelle les lasers fusionnent des alliages en poudre en formes métalliques solides, est très économe en énergie. Cela la rend attrayante pour la production de nouveaux types d’AHE.

Caractéristiques des nouveaux alliages à haute entropie

Le processus de fabrication additive basé sur le laser a produit des nano-lamelles (couches minces de plaques) de quelques nanomètres d’épaisseur offrant une haute résistance, tandis que les bords distincts des plaques permettent un certain degré de glissement (ductilité).

Les plaques sont constituées de couches alternées de structures cristallines cubiques centrées sur les faces (CCF) d’environ 150 nanomètres d’épaisseur et de structures cristallines cubiques centrées sur le corps (CCB) d’environ 65 nanomètres d’épaisseur.

Les nouveaux AHE ont montré des résistances à la limite d’élasticité d’environ 1,3 gigapascals, dépassant les alliages de titane les plus résistants. Ces AHE offrent également une élongation d’environ 14%, ce qui est supérieur à d’autres alliages métalliques fabriqués par AM avec la même résistance à la limite d’élasticité. L’élongation est une mesure de la capacité d’un matériau à se plier sans se rompre.

En synthèse

La recherche sur les alliages à haute entropie continue de progresser, avec des avancées significatives dans la fabrication additive. Ces nouveaux AHE, plus résistants et plus ductiles, pourraient transformer les industries nécessitant des matériaux capables de résister à des conditions extrêmes. Avec des applications potentielles allant des véhicules plus sûrs et plus économes en carburant aux machines plus durables, l’avenir des AHE semble prometteur.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un alliage à haute entropie ?

Un alliage à haute entropie est un type de matériau créé en combinant plusieurs métaux élémentaires. Ils sont connus pour leur résistance à l’usure, aux températures extrêmes, aux radiations et au stress élevé.

Qu’est-ce que la fabrication additive ?

La fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, est un processus qui crée des objets en ajoutant des matériaux couche par couche, généralement à partir d’un modèle numérique.

Qu’est-ce que la ductilité ?

La ductilité est une mesure de la capacité d’un matériau à se déformer sous tension sans se rompre. Un matériau très ductile peut être étiré en un fil mince sans se rompre.

Quels sont les avantages des nouveaux alliages à haute entropie ?

Les nouveaux alliages à haute entropie sont plus résistants et plus ductiles que les versions précédentes. Ils peuvent également être fabriqués de manière plus économe en énergie grâce à la fabrication additive basée sur le laser.

Quelles sont les applications potentielles de ces alliages ?

Les alliages à haute entropie ont des applications potentielles dans des industries nécessitant des matériaux résistants à l’usure, aux températures extrêmes, aux radiations et au stress élevé. Cela pourrait inclure la production de véhicules plus sûrs et plus économes en carburant, de produits plus résistants et de machines plus durables.

Références

Légende illustration principale : images des deux structures cristallines (à droite) trouvées dans un alliage à haute entropie (à gauche) fabriqué par fabrication additive. Credit: Image courtesy of University of Massachusetts Amherst

Les données neutroniques de la source de neutrons à spallation, une installation de l’Office of Science du ministère de l’énergie (DOE) située au Oak Ridge National Laboratory (ORNL), ont permis aux chercheurs d’examiner la répartition des charges mécaniques à l’intérieur des échantillons de HEA lorsqu’ils sont soumis à des déformations. Les chercheurs ont utilisé un instrument à sonde atomique au Center for Nanophase Materials Sciences, également une installation utilisateur du DOE à l’ORNL, pour capturer des images 3D détaillées des compositions et des microstructures, constituées de couches alternées de nano-lamelles. Les phases des différents échantillons recuits ont été étudiées par diffraction des rayons X à l’Advanced Photon Source, une autre installation du DOE Office of Science située à l’Argonne National Laboratory.