À l'avenir, de nouveaux alliages de conception pour les applications aérospatiales peuvent être fabriqués à l'aide du processus de fusion laser 3D (fabrication additive). Des travaux pionniers dans ce domaine ont été fournis par le chercheur de l'Empa Christoph Kenel, qui travaille aujourd'hui à la Northwestern University (Chicago). L'Empa lui décerne le Research Award 2017.

Les alliages Titan-Aluminium combinent une faible densité, résistance élevée et résistance à l'oxydation à des températures élevées et sont donc d'une grande importance technique, par ex. en génie aérospatial. L'objectif de la thèse de doctorat de Christoph Kenel était de développer un nouvel alliage d'aluminiure de titane (TiAl), en particulier pour une utilisation dans les technologies de fabrication additive à base de faisceaux, et d'inclure des dispersoïdes d'oxyde de taille nanométrique pour améliorer leurs propriétés mécaniques à haute température. Les recherches de Christoph Kenels ont été supervisées par Christian Leinenbach du laboratoire Advanced Materials Processing de l'Empa.

Le sujet est très difficile, étant donné que les alliages TiAl sont intrinsèquement cassants à température ambiante, et les conditions de solidification rapide au cours de l'AM peuvent conduire à des séquences de transformation de phase complexes, ségrégation et fissuration prononcées des éléments. Les alliages renforcés par dispersion d'oxyde (ODS) sont une classe de matériaux qui offrent une combinaison inégalée de déformation, ramper-, résistance au grossissement, à l'oxydation et à la corrosion à des températures allant jusqu'à 1, 000°C.

Alliages non réalisables par coulée classique

Cependant, la fabrication de composants utilisant des alliages ODS est actuellement soumise à de sévères barrières économiques et techniques. La sagesse conventionnelle est que la métallurgie des poudres classique est la seule méthode disponible pour créer des alliages ODS à partir de poudres auxquelles des oxydes ont été ajoutés par broyage à billes dans un processus à l'état solide pur :si ces poudres composites étaient fondues, leurs dispersoïdes d'oxyde sont perdus via un ou plusieurs grossissements, dissolution, agglomération dans l'espace interdendritique et flottement à la surface du lingot (« scorification »). Le traitement de l'ODS TiAl est donc une tâche vraiment exigeante.

Le Dr Kenel a opté pour une nouvelle approche pour développer un alliage TiAl spécifiquement pour le processus de fabrication additive (AM). En général, les paramètres de traitement AM sont optimisés pour un matériau donné par tâtonnement, mais on sait que cette approche échoue souvent. Compte tenu des dispersoïdes d'oxyde, Kenel et ses collègues ont émis l'hypothèse que la FA par laser peut être utilisée avec succès pour créer des échantillons en vrac à partir de poudres contenant des dispersoïdes d'oxyde, car le temps de fusion très court et la solidification très rapide maintiendraient les dispersoïdes d'oxyde bien dispersés dans les grains d'alliage.

Dans son travail, Le Dr Kenel a utilisé des méthodes informatiques (thermodynamique informatique, méthodes par éléments finis) pour simuler les transformations de phase dans les alliages binaires Ti-Al et ternaires Ti-Al-Nb et Ti-Al-Mo, respectivement, pendant les conditions très particulières de chauffage et de refroidissement en AM. Il a ensuite développé de nouvelles expériences sophistiquées, notamment des méthodes de micro diffraction des rayons X synchrotron in situ pendant le chauffage laser, lui permettant d'étudier systématiquement la formation de phase et de microstructure dans des alliages sélectionnés dans des conditions AM bien définies et simulées avec une résolution temporelle sans précédent. Cela n'a pas été fait auparavant.