Le premier alliage nanostructuré haute performance imprimé en 3D combine ultra-résistance et ductilité

Une équipe de scientifiques a imprimé en 3D un alliage à haute entropie nanostructuré à deux phases qui surpasse les autres matériaux de fabrication additive de pointe en termes de résistance et de ductilité. Cette percée pourrait conduire à des composants plus performants pour des applications dans l'aérospatiale, la médecine, l'énergie et les transports. Le travail a été réalisé par des chercheurs de l'Université du Massachusetts à Amherst et de Georgia Tech. Dirigé par Wen Chen, professeur agrégé de génie mécanique et industriel à UMass Amherst, et Ting Zhu, professeur de génie mécanique à Georgia Tech, il a été publié le 3 août dans la revue Nature.

Au cours des 15 dernières années, les alliages à haute entropie (HEA) ont gagné en popularité en tant que nouveau paradigme de la science des matériaux. Ils sont composés de cinq éléments ou plus dans des proportions presque égales, ce qui donne aux conceptions en alliage la possibilité de créer des combinaisons uniques presque illimitées. Les alliages traditionnels, tels que le laiton, l'acier inoxydable, l'acier au carbone et le bronze, contiennent une combinaison d'un élément majeur et d'un ou plusieurs oligo-éléments.

L'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, est récemment apparue comme une puissante méthode de développement de matériaux. L'impression 3D à base de laser peut générer de grands gradients de température et des taux de refroidissement élevés, ce qui ne peut pas être atteint par les approches conventionnelles. Cependant, "le potentiel de tirer parti des avantages combinés de la fabrication additive et du HEA pour obtenir de nouvelles propriétés est largement inexploité", a déclaré Zhu.

Wen Chen et son équipe du laboratoire de fabrication et de matériaux multi-échelles de l'UMass ont associé l'HEA à la technologie d'impression 3D de pointe, la fusion laser sur lit de poudre, pour développer de nouveaux matériaux aux propriétés sans précédent. Parce que le processus fond et solidifie le matériau très rapidement par rapport aux processus métallurgiques traditionnels, "vous obtenez une microstructure très différente qui est loin de l'équilibre", a déclaré Chen. Cette structure microscopique ressemble à une toile, constituée de couches alternées de structures nanostellaires appelées cubique face centrée (FCC) et cubique centrée sur le corps (BCC), noyées dans des cristaux eutectiques microscopiques avec un groupe d'orientations aléatoires. Le HEA nanostructuré hiérarchique permet la déformation coopérative des deux phases.

Chen Wen a déclaré: "Le réarrangement atomique de cette microstructure inhabituelle produit une résistance ultra-élevée ainsi qu'une ductilité améliorée, ce qui est rare car les matériaux généralement solides ont tendance à être cassants. Cela contraste avec la coulée de métal traditionnelle. rapport, nous obtenons près de trois fois la résistance, non seulement sans perdre la ductilité, mais en augmentant la ductilité en même temps. Pour de nombreuses applications, la combinaison de la résistance et de la ductilité est essentielle. Nos découvertes ont des implications à la fois pour la science des matériaux et l'ingénierie. C'est original et passionnant.

« La capacité de produire des HEA avec une résistance et une ductilité élevées signifie que ces matériaux d'impression 3D sont plus résistants à la déformation appliquée, ce qui est important pour la conception de structures légères avec une efficacité mécanique améliorée et des économies d'énergie », a déclaré Jie Ren, le premier auteur de l'article. .

Le groupe de Ting Zhu à Georgia Tech a dirigé la modélisation informatique de l'étude. Ils ont développé un modèle informatique de la plasticité des cristaux à deux phases pour comprendre le rôle mécanique joué par les nanoparticules FCC et BCC et comment elles fonctionnent ensemble pour donner au matériau une résistance et une ductilité accrues.

"Nos résultats de simulation montrent la résistance surprenante et la réponse de durcissement des nanoparticules de BCC, qui sont essentielles pour obtenir l'excellente synergie de résistance et de ductilité dans nos alliages." Zhu Ting a déclaré : « Cette compréhension mécaniste peut guider l'avenir. Le développement de HEA imprimés en 3D avec des propriétés mécaniques spéciales fournit une base importante.

De plus, l'impression 3D fournit un outil puissant pour fabriquer des pièces géométriquement complexes et personnalisées. À l'avenir, tirer parti de la technologie d'impression 3D et de l'énorme espace de conception d'alliages de HEA offrira de nombreuses opportunités pour la production directe de pièces finales pour des applications biomédicales et aérospatiales.