Un matériau révolutionnaire imprimé en 3D, incroyablement résistant et ductile


Un nouvel alliage nanostructuré haute performance imprimé en 3D, incroyablement résistant et ductile, pourrait ouvrir des portes à la médecine et à l’industrie aérospatiale.

  • Le nouvel alliage est ultrarobuste et ductile.
  • Il ressemble à une structure réticulaire lorsqu’on l’observe à l’échelle nanométrique.
  • Il pourrait s’avérer révolutionnaire pour la médecine et l’aérospatiale.

Un alliage à haute entropie, à double phase et nanostructuré, qui a été imprimé en 3D par des chercheurs de l’université du Massachusetts Amherst et du Georgia Institute of Technology, est plus solide et plus ductile que d’autres matériaux de pointe fabriqués de manière additive. Cette découverte pourrait conduire à des composants plus performants utilisés dans l’aérospatiale, la médecine, l’énergie et les transports.

Les recherches ont été publiées en ligne par la revue Nature et ont été dirigées par Wen Chen, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à l’UMass, et Ting Zhu, professeur de génie mécanique au Georgia Tech.

Les alliages à haute entropie (AHE), comme on les appelle, ont gagné en popularité en tant que nouveau paradigme dans la science des matériaux au cours des 15 dernières années. Ils permettent la création d’un nombre presque illimité de modèles d’alliages différents puisqu’ils comprennent cinq éléments ou plus en quantités presque égales. Le laiton, l’acier au carbone, l’acier inoxydable et le bronze sont des exemples d’alliages traditionnels qui mélangent un élément principal avec un ou plusieurs éléments traces.

Une carte de figure à pôles inversés de diffraction par rétrodiffusion d’électrons en coupe transversale montrant une microstructure de nanolamelles orientées de manière aléatoire et des images de composants d’alliage à haute entropie imprimés en 3D sont exposées devant Wen Chen, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à UMass Amherst.

Wen Chen se tient devant des images de composants en alliage à haute entropie imprimés en 3D.
Source : UMass Amherst

La fabrication additive, également appelée impression 3D, est récemment apparue comme une approche puissante du développement de matériaux. L’impression 3D au laser peut produire de grands gradients de température et des taux de refroidissement élevés qui ne sont pas facilement accessibles par les voies conventionnelles. Cependant, “le potentiel d’exploitation des avantages combinés de la fabrication additive et des AHE pour obtenir de nouvelles propriétés reste largement inexploré”, déclare Zhu.

Chen et son équipe du Multiscale Materials and Manufacturing Laboratory ont combiné un AHE avec une méthode d’impression 3D de pointe, la fusion laser sur lit de poudre, pour créer de nouveaux matériaux aux qualités inouïes. Par rapport à la métallurgie traditionnelle, la procédure fait fondre et solidifier les matériaux beaucoup plus rapidement, ce qui entraîne “une microstructure très différente, loin de l’équilibre” sur les composants produits, affirme Chen.

Le nouveau matériau ressemble à un filet à l’échelle nanométrique

Cette microstructure, qui ressemble à un filet, est composée de couches alternées de structures nanolamellaires cubiques à faces centrées (FCC) et cubiques à corps centrées (BCC) qui sont encastrées dans de petites colonies eutectiques orientées de façon aléatoire. Les deux phases peuvent se déformer de manière coopérative grâce à la nanostructure hiérarchique de l’AHE.

“Le réarrangement atomique de cette microstructure inhabituelle donne lieu à une résistance ultra élevée ainsi qu’à une ductilité accrue, ce qui est rare, car les matériaux habituellement solides ont tendance à être fragiles”, explique Chen. Par rapport au 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”, ajoute-t-il.

“La capacité de produire des AHE solides et ductiles signifie que ces matériaux imprimés en 3D sont plus robustes pour résister à la déformation appliquée, 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.

Jie Ren, étudiant en doctorat à l’UMass Amherst, tient un ventilateur miniature à dissipateur thermique.
Source : UMass Amherst

La modélisation informatique de l’étude a été coordonnée par l’équipe de Zhu à Georgia Tech. Pour comprendre les rôles mécaniques joués par les nanolamelles FCC et BCC et la façon dont elles coopèrent pour conférer au matériau plus de résistance et de ductilité, il a construit des modèles informatiques de plasticité cristalline à deux phases.

“Les résultats de nos simulations montrent que les nanolamelles BCC présentent des réponses étonnamment élevées en termes de résistance et de durcissement, ce qui est essentiel 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 AHE imprimés en 3D et dotés de propriétés mécaniques exceptionnelles”, explique Zhu.

En outre, l’impression 3D est un outil puissant pour produire des pièces aux géométries complexes. À l’avenir, la fabrication directe de composants d’utilisation finale pour les applications biomédicales et aérospatiales offrira de nombreuses options grâce à la combinaison de la technologie d’impression 3D et de l’énorme espace de conception d’alliage des AHE.

Vous pouvez consulter l’intégralité de l’étude dans la revue Nature.

Lire aussi : Un nouveau bout de doigt imprimé en 3D ressent et agit comme la peau humaine

Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche


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1 réponse

  1. Christian GOBERT dit :

    Pourquoi d’un côté critiquer (très justement) l’industrie technologique et l’IA, et de l’autre en faire la promotion comme ce dernier article ? Etonnant non !?

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