L'acier inoxydable "de qualité marine" est apprécié pour ses performances dans des environnements corrosifs et pour sa ductilité élevée - la capacité à se plier sans se rompre sous contrainte - ce qui en fait un choix privilégié pour les oléoducs, soudage, ustensiles de cuisine, équipement chimique, implants médicaux, pièces de moteurs et stockage de déchets nucléaires. Cependant, les techniques conventionnelles de renforcement de cette classe d'aciers inoxydables se font généralement au détriment de la ductilité.

Chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avec des collaborateurs du Laboratoire national Ames, Georgia Tech University et Oregon State University, ont réalisé une percée dans l'impression 3D, l'une des formes les plus courantes d'acier inoxydable de qualité marine, un type à faible teneur en carbone appelé 316L, qui promet une combinaison inégalée de propriétés de haute résistance et de haute ductilité pour l'alliage omniprésent. La recherche paraît en ligne le 30 octobre dans le journal Matériaux naturels .

"Afin de rendre utiles tous les composants que vous essayez d'imprimer, vous devez avoir cette propriété matérielle au moins la même que celles faites par la métallurgie traditionnelle, " a déclaré Morris Wang, scientifique des matériaux et auteur principal du LLNL. " Nous avons pu imprimer en 3D des composants réels en laboratoire avec de l'acier inoxydable 316L, et les performances du matériau étaient en fait meilleures que celles fabriquées avec l'approche traditionnelle. C'est vraiment un grand saut. Cela rend la fabrication additive très attractive et comble une lacune majeure. »

Wang a déclaré que la méthodologie pourrait ouvrir les vannes à une impression 3D généralisée de ces composants en acier inoxydable, notamment dans l'aéronautique, industries automobile et pétrolière et gazière, où des matériaux solides et résistants sont nécessaires pour tolérer une force extrême dans des environnements difficiles.

Pour réussir votre rencontre, et dépasser, les exigences de performances nécessaires pour l'acier inoxydable 316L, les chercheurs ont d'abord dû surmonter un goulot d'étranglement majeur limitant le potentiel d'impression 3D de métaux de haute qualité, la porosité provoquée lors de la fusion laser (ou fusion) de poudres métalliques qui peut provoquer la dégradation et la rupture des pièces facilement. Les chercheurs ont abordé ce problème grâce à un processus d'optimisation de la densité impliquant des expériences et une modélisation informatique, et en manipulant la microstructure sous-jacente des matériaux.

"Cette microstructure que nous avons développée brise la barrière traditionnelle du compromis résistance-ductilité, " dit Wang. " Pour l'acier, vous voulez le rendre plus fort, mais vous perdez essentiellement de la ductilité; vous ne pouvez pas avoir les deux. Mais avec l'impression 3D, nous sommes en mesure de déplacer cette frontière au-delà du compromis actuel."

En utilisant deux machines de fusion à lit de poudre laser différentes, les chercheurs ont imprimé de fines plaques d'acier inoxydable 316L pour des tests mécaniques. La technique de fusion au laser a entraîné de manière inhérente des structures de type cellulaire hiérarchiques qui pourraient être réglées pour modifier les propriétés mécaniques, les chercheurs ont dit.

"La clé était de faire toute la caractérisation et d'examiner les propriétés que nous obtenions, " a déclaré Alex Hamza, scientifique du LLNL, qui a supervisé la production de certains composants fabriqués de manière additive. "Lorsque vous fabriquez de manière additive du 316L, cela crée une structure de grain intéressante, un peu comme un vitrail. Les grains ne sont pas très petits, mais les structures cellulaires et autres défauts à l'intérieur des grains que l'on observe couramment en soudage semblent contrôler les propriétés. C'était la découverte. Nous n'avions pas pour objectif de faire quelque chose de mieux que la fabrication traditionnelle; ça a juste fonctionné comme ça."

Thomas Voisin, chercheur postdoctoral au LLNL, un contributeur clé au document, a effectué des caractérisations approfondies des métaux imprimés en 3D depuis qu'il a rejoint le laboratoire en 2016. Il pense que la recherche pourrait fournir de nouvelles informations sur la relation structure-propriété des matériaux fabriqués de manière additive.

"La déformation des métaux est principalement contrôlée par la façon dont les défauts à l'échelle nanométrique se déplacent et interagissent dans la microstructure, " dit Voisin. " Fait intéressant, nous avons trouvé que cette structure cellulaire agit comme un filtre, permettant à certains défauts de se déplacer librement et ainsi fournir la ductilité nécessaire tout en bloquant certains autres pour fournir la résistance. L'observation de ces mécanismes et la compréhension de leur complexité nous permettent désormais de réfléchir à de nouvelles manières de contrôler les propriétés mécaniques de ces matériaux imprimés en 3D."

Wang a déclaré que le projet a bénéficié d'années de simulation, modélisation et expérimentation réalisées au Lab en impression 3D de métaux pour comprendre le lien entre microstructure et propriétés mécaniques. Il a qualifié l'acier inoxydable de système de "matériau de substitution" qui pourrait être utilisé pour d'autres types de métaux.

L'objectif final, il a dit, est d'utiliser le calcul haute performance pour valider et prédire les performances futures de l'acier inoxydable, utiliser des modèles pour contrôler la microstructure sous-jacente et découvrir comment fabriquer des aciers hautes performances, y compris la résistance à la corrosion. Les chercheurs envisageront ensuite d'utiliser une stratégie similaire avec d'autres alliages plus légers, plus cassants et sujets à la fissuration.

Les travaux ont duré plusieurs années et ont nécessité les apports de l'Ames Lab, qui a fait la diffraction des rayons X pour comprendre les performances des matériaux ; Géorgie Tech, qui a effectué une modélisation pour comprendre comment le matériau pouvait avoir une résistance élevée et une ductilité élevée, et l'État de l'Oregon, qui a effectué la caractérisation et l'analyse de la composition.