Le LLNL étudie comment la vitesse du laser contrôle la microstructure des alliages à haute entropie

Imaginez pouvoir modifier les propriétés du métal, le rendant soit résistant à la force mais cassant, comme un carreau de céramique, soit souple mais pliable, comme un trombone. Pour atteindre ce niveau de contrôle, il faut manipuler avec précision la structure interne d’un matériau au moment de sa formation. Des scientifiques ont désormais démontré qu’il était possible d’y parvenir en adaptant des alliages à haute entropie grâce à la fabrication additive. Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aux États-Unis, en collaboration avec d’autres chercheurs, ont étudié comment les conditions de traitement peuvent être utilisées pour personnaliser les alliages à haute entropie (HEA) de nouvelle génération.

Plus précisément, l’étude visait à comprendre comment la vitesse de solidification influence l’évolution de la microstructure et les voies de transformation de phase dans les HEA fabriqués par ajout de laser (dans ce cas, des HEA eutectiques AlCrFe₂Ni₂). Ils ont contrôlé la vitesse de solidification en ajustant les vitesses de balayage laser, ce qui a eu une incidence sur le refroidissement du métal et, par conséquent, sur sa structure interne. L’équipe a combiné la modélisation thermodynamique et la dynamique moléculaire pour simuler l’impression 3D de ces HEA.

La recherche, publiée dans Advanced Materials, a démontré que lorsque le laser se déplace lentement, le métal en fusion refroidit à un rythme lent. Cela donne aux atomes dans le liquide suffisamment de temps pour se déplacer par diffusion et se séparer naturellement en composants distincts, ou « phases ». En revanche, lorsque la vitesse de balayage du laser est augmentée, le métal refroidit extrêmement rapidement. Ce refroidissement rapide empêche la diffusion, ce qui signifie que les atomes n’ont pas le temps de se déplacer ou de se séparer. En conséquence, le matériau « se fige » effectivement sous la forme d’une phase solide unique et uniforme, au lieu de se séparer en un mélange complexe comme il le ferait normalement. Thomas Voisin, directeur adjoint du groupe explique :

En augmentant la vitesse du laser, le taux de refroidissement augmente et comme le matériau refroidit plus rapidement, il a moins de temps pour se réorganiser en une configuration à faible énergie. Cela permet de figer le matériau dans un état de non-équilibre, qui peut être utilisé pour ajuster les structures atomiques et les propriétés mécaniques qui en résultent.

Forts de ces connaissances, les scientifiques ont pu exploiter la polyvalence des alliages à haute entropie, en adaptant leurs propriétés à des besoins spécifiques. C’est comme si l’on débloquait plusieurs matériaux en un seul en ajustant simplement la vitesse du laser : grâce à l’alliage eutectique AlCrFe₂Ni₂, les chercheurs ont pu créer toute une gamme de propriétés. En fin de compte, cette étude montre que les techniques de fabrication peuvent être ajustées avec précision pour personnaliser la résistance mécanique et la durabilité des composants métalliques avancés.

Qu’est-ce que cela impliquerait pour la FA ?

Les chercheurs savent depuis longtemps que les vitesses de refroidissement rapides de la fabrication additive conduisent à des microstructures uniques dans les alliages à haute entropie, ce qui se traduit souvent par des grains plus fins, des distributions de phases modifiées et des propriétés mécaniques améliorées. Les connaissances mises au jour par le LLNL s’inscrivent dans un domaine de recherche actif et en pleine expansion, où les scientifiques étudient systématiquement comment les paramètres de traitement par FA laser peuvent être utilisés pour ajuster les microstructures et ainsi personnaliser le comportement mécanique des alliages à haute entropie et d’autres alliages avancés.

Cette approche pourrait-elle signifier que la fabrication additive n’est pas seulement un outil de production, mais aussi une plateforme pour des découvertes ? Plutôt que de passer par de multiples essais de recettes, la fabrication additive pourrait être utilisée pour concevoir des matériaux dont les propriétés sont programmées. « Nous en sommes maintenant à un stade où nous pouvons concevoir efficacement de nouveaux matériaux qui tirent pleinement parti des caractéristiques de la fabrication additive, comme la vitesse de refroidissement très rapide », a déclaré M. Voisin. Si vous souhaitez en savoir plus sur le projet, lisez l’étude ICI.

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*Photo de couverture : représentation artistique des nouveaux alliages à haute entropie fabriqués par ajout de matière au LLNL. (crédits : Daniel Herchek/LLNL)