Un nouvel alliage de bronze et d’acier développé grâce à l’impression 3D DED

Un groupe de chercheurs de l’institut des sciences et technologies de Skolkovo, ou Skoltech, affirme avoir développé un nouvel alliage à base de bronze et d’acier grâce à la fabrication additive. Ils se sont appuyés sur le dépôt de matière sous énergie concentrée afin de produire différentes pièces composées de ces deux métaux, une première pour le marché. Deux techniques ont été utilisées : dans le premier cas, un mélange de deux métaux a été réalisé avant le dépôt des couches ; dans le second, des couches de bronze ont été déposées de façon alternée avec celles en acier. Selon les chercheurs, ces travaux pourraient être particulièrement intéressants pour l’aérospatiale, notamment dans la construction de chambres de combustion pour les avions et fusées. 

Il n’est pas rare de combiner deux matériaux pour tirer profit du meilleur de leurs propriétés respectives – c’est dans ce sens-là que l’impression 3D composite se développe rapidement. Dans notre cas, rappelons que le bronze est réputé pour sa résistance à la corrosion, sa bonne conductivité électrique et sa résistance élevée à l’usure. L’acier est quant à lui résistant à la rupture et aux chocs, à la déformation électrique et présente une dureté élevée.  Jusqu’ici, aucun projet n’avait combiné l’acier et le bronze sur une seule et même pièce, le tout grâce à la fabrication additive.

Pièce imprimée en 3D pour tester les propriétés mécaniques du nouvel alliage (crédits photo : Konstantin Makarenko/Skoltech

Concrètement, les chercheurs ont eu recours à une imprimante DED pour développer leur projet. Tout d’abord, il s’agissait de créer un alliage presque homogène en mélangeant les deux matériaux de façon uniforme. Cet alliage a alors été utilisé par la machine pour concevoir plusieurs pièces de test. L’autre technique a consisté à imprimer des pièces “sandwich” c’est-à-dire composées de couches de bronze et d’acier superposées, de 0,25 millimètre d’épaisseur chacune. Les chercheurs expliquent avoir fait varier la quantité de bronze à chaque fois – de 25 à 50 % – alors que la teneur en acier est restée identique.

Le professeur Igor Shishkovsky de Skoltech explique : « L’impression 3D est prometteuse pour la fabrication de pièces composites, dotées des propriétés des deux matériaux distincts qui composent le composite. Considérons, par exemple, que l’acier résiste aux températures élevées créées par la combustion du carburant dans un moteur en fonctionnement. C’est très bien, mais comparé au bronze, l’acier est un conducteur thermique modeste, de sorte que le liquide de refroidissement du moteur ne peut pas siphonner la chaleur aussi efficacement pour éviter la surchauffe et les dommages. Grâce à l’impression 3D, il est possible d’obtenir le meilleur des deux mondes en fabriquant une chambre de combustion qui passe en douceur du bronze à l’intérieur, pour une meilleure gestion de la température, à l’acier à l’extérieur, pour assurer la cohésion de la structure. »

Pièce imprimée en 3D avec un mélange bronze-acier quasi-homogène (crédits photo : Konstantin Makarenko/Skoltech)

Les deux métaux auraient bien fusionné ensemble, aucune anomalie n’aurait été constatée. Les chercheurs ont alors réalisé une série de tests pour étudier les propriétés structures et mécaniques de ce nouvel alliage grâce à la microscopie optique et électronique à balayage. Konstantin Makarenko, étudiant en quatrième année de doctorat à Skoltech Materials, conclut : « Maintenant que nous avons confirmé que l’acier et le bronze peuvent être combinés dans un alliage et sont compatibles avec l’impression 3D par dépôt laser direct, et que nous connaissons les caractéristiques mécaniques du nouveau matériau, nous pouvons explorer ses applications possibles. Pour l’avenir, j’aimerais fabriquer et tester une chambre de combustion en acier-bronze à Skoltech, mais au-delà, d’autres articles sont possibles et d’autres combinaisons de métaux pourraient être utilisées. L’étape suivante consisterait à créer des aubes de turbine en superalliage renforcé avec des canaux de refroidissement en bronze. Il s’agit de combiner les avantages de deux matériaux distincts en un seul produit sans soudure ni autre jonction. » Nous ne manquerons pas de vous tenir au courant des prochaines étapes de ce projet ! En attendant, retrouvez davantage d’informations ICI.

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*Crédits photo de couverture : Konstantin Makarenko