Cet alliage à haute entropie biphasé et nanostructuré, imprimé en 3D, dépasserait la résistance et la ductilité des autres matériaux de FA.

Cet alliage à haute entropie biphasé et nanostructuré, imprimé en 3D, dépasserait la résistance et la ductilité des autres matériaux de FA.

 Les alliages à haute entropie (en anglais High-entropy alloys = HEA) sont des alliages formés par le mélange de proportions égales ou relativement importantes de cinq éléments (généralement) ou plus. Ces alliages à composants multiples ont suscité un intérêt considérable au cours de la dernière décennie en raison de leurs propriétés structurelles, chimiques et physiques intrigantes, mais aussi en raison de leur capacité à créer un nombre quasi infini de combinaisons uniques pour la conception d’alliages.

Ce type de matériaux n’est pas encore régulièrement utilisé dans la fabrication additive, mais des progrès récents révèlent que la fusion sélective au laser, le dépôt par fusion au laser, la fusion par faisceau d’électrons et la fabrication additive à l’arc électrique pourraient traiter ces matériaux.

Dans le cadre d’une recherche dirigée par Wen Chen, professeur adjoint d’ingénierie mécanique et industrielle à l‘UMass, et Ting Zhu, professeur d’ingénierie mécanique à Georgia Tech, une équipe de scientifiques a découvert que la combinaison d’un HEA avec la fusion laser sur lit de poudre permettait de créer de nouveaux matériaux aux propriétés sans précédent.

 Comme le procédé fait fondre et solidifier les matériaux très rapidement par rapport à la métallurgie traditionnelle, « on obtient une microstructure très différente, loin de l’équilibre » sur les composants créés, explique Chen. Cette microstructure ressemble à un filet et est constituée de couches alternées appelées structures nanolamellaires cubiques à faces centrées (en anglais face-centered cubic = FCC) et cubiques à corps centrées (en anglais body-centered cubic = BCC), intégrées dans des colonies eutectiques à micro-échelle avec des orientations aléatoires. L’HEA nanostructuré hiérarchique permet une déformation coopérative des deux phases.

« Le réarrangement atomique de cette microstructure inhabituelle donne lieu à une résistance ultra élevée ainsi qu’à une ductilité accrue, ce qui n’est pas courant, car les matériaux habituellement solides ont tendance à être fragiles », explique Chen. Par rapport à un moulage métallique classique, « nous avons obtenu une résistance presque triple et non seulement nous n’avons pas perdu de ductilité, mais nous l’avons même augmentée simultanément », ajoute-t-il. « Pour de nombreuses applications, une combinaison de résistance et de ductilité est essentielle. Nos résultats sont originaux et passionnants, tant pour la science des matériaux que pour l’ingénierie. »

« La capacité à produire des HEA solides et ductiles signifie que ces matériaux imprimés en 3D sont plus robustes pour résister aux déformations appliquées, ce qui est important pour la conception de structures légères afin d’améliorer l’efficacité mécanique et les économies d’énergie », explique Jie Ren, étudiant en doctorat de Chen et premier auteur de l’article.

L’équipe a développé des modèles de calcul de plasticité cristalline à double phase pour comprendre les rôles mécanistiques joués par les nanolamelles FCC et BCC et comment elles travaillent ensemble pour donner au matériau une résistance et une ductilité accrues.

« Nos résultats de simulation montrent les réponses étonnamment élevées en termes de résistance et de durcissement des nanolamelles BCC, qui sont essentielles pour obtenir la synergie exceptionnelle entre résistance et ductilité de notre alliage. Cette compréhension mécaniste constitue une base importante pour guider le développement futur de HEA imprimés en 3D et dotés de propriétés mécaniques exceptionnelles », déclare Zhu.

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