Sichuang Xue, associé de recherche postdoctoral Purdue, à gauche, et doctorant Qiang Li, préparer un échantillon pour la recherche afin de créer des alliages d'aluminium super résistants. Crédit :Purdue University image/Marshall Farthing
Les chercheurs ont démontré comment créer un alliage d'aluminium ultra-résistant qui rivalise avec la résistance de l'acier inoxydable, une avancée avec des applications industrielles potentielles.
"La plupart des alliages d'aluminium légers sont mous et ont une résistance mécanique intrinsèquement faible, ce qui empêche une application industrielle plus répandue, " dit Xinghang Zhang, professeur à l'École de génie des matériaux de l'Université Purdue. "Toutefois, haute résistance, des alliages d'aluminium légers avec une résistance comparable à celle des aciers inoxydables révolutionneraient les industries automobile et aérospatiale."
De nouvelles recherches montrent comment modifier la microstructure de l'aluminium pour lui conférer une plus grande résistance et ductilité. Les résultats ont été détaillés dans deux nouveaux documents de recherche. Le travail a été dirigé par une équipe de chercheurs qui comprenait l'associé de recherche postdoctorale Purdue Sichuang Xue et le doctorant Qiang Li.
L'article le plus récent a été publié en ligne le 22 janvier dans la revue Matériaux avancés . L'article précédent a été publié en novembre dans la revue Communication Nature .
Le nouvel aluminium à haute résistance est rendu possible par l'introduction de "défauts d'empilement, " ou des distorsions dans la structure cristalline. Bien qu'elles soient faciles à produire dans des métaux tels que le cuivre et l'argent, ils sont difficiles à introduire dans l'aluminium en raison de sa haute "énergie de défaut d'empilement".
Le réseau cristallin d'un métal est constitué d'une séquence répétitive de couches atomiques. S'il manque une couche, on dit qu'il y a un défaut d'empilement. Pendant ce temps, ce que l'on appelle des « frontières jumelles » constituées de deux couches de failles empilées peuvent se former. Un type de défaut d'empilement, appelée phase 9R, est particulièrement prometteur, dit Zhang.
"Il a été démontré que les frontières jumelles sont difficiles à introduire dans l'aluminium. La formation de la phase 9R dans l'aluminium est encore plus difficile en raison de son énergie de défaut d'empilement élevée, ", a déclaré Zhang. "Vous voulez introduire à la fois des nanojumeaux et une phase 9R dans l'aluminium nanograiné pour augmenter la résistance et la ductilité et améliorer la stabilité thermique."
Maintenant, les chercheurs ont appris à réaliser facilement cette phase 9R et des nanojumeaux en aluminium.
"Ces résultats montrent comment fabriquer des alliages d'aluminium comparables à, ou même plus fort que, aciers inoxydables, " Il a dit. " Il y a beaucoup d'impact commercial potentiel dans cette découverte. "
Xue est l'auteur principal du Communication Nature papier, qui est le premier à rapporter une phase 9R « induite par un choc » dans l'aluminium. Les chercheurs ont bombardé des films d'aluminium ultrafins avec de minuscules microprojectiles de dioxyde de silicium, donnant la phase 9R.
"Ici, en utilisant une technique d'essai d'impact de projectile induit par laser, on découvre une phase 9R induite par déformation avec des dizaines de nanomètres de largeur, " dit Xue.
Les tests de microprojectiles ont été effectués par un groupe de recherche de l'Université Rice, dirigé par le professeur Edwin L. Thomas, co-auteur de l'article de Nature Communications. Un faisceau laser provoque l'éjection des particules à une vitesse de 600 mètres par seconde. La procédure accélère considérablement les tests de sélection de divers alliages pour les applications de résistance aux chocs.
Un échantillon est préparé pour analyse à l'aide d'un microscope électronique à transmission. Crédit :Purdue University image/Marshall Farthing
"Dites que je veux projeter de nombreux matériaux en peu de temps, ", a déclaré Zhang. "Cette méthode nous permet de le faire à un coût bien inférieur à ce qui serait autrement possible."
Li est l'auteur principal de l'article Advanced Materials, qui décrit comment induire une phase 9R dans l'aluminium non par choc mais en introduisant des atomes de fer dans la structure cristalline de l'aluminium via une procédure appelée pulvérisation cathodique magnétron. Le fer peut également être introduit dans l'aluminium en utilisant d'autres techniques, comme le casting, et la nouvelle découverte pourrait potentiellement être étendue à des applications industrielles.
Les revêtements d'alliage d'aluminium et de fer « nano-jumelés » qui en résultent se sont avérés être l'un des alliages d'aluminium les plus résistants jamais créés, comparable aux aciers à haute résistance.
"Simulations de dynamique moléculaire, interprété par le groupe du professeur Jian Wang à l'Université du Nebraska, Lincoln, a montré que la phase 9R et les nanograins donnent une résistance élevée et une capacité d'écrouissage et ont révélé les mécanismes de formation de la phase 9R dans l'aluminium, " a déclaré Zhang. " Comprendre les nouveaux mécanismes de déformation nous aidera à concevoir de nouvelles hautes résistances, matériaux métalliques ductiles, tels que les alliages d'aluminium.
Une application potentielle pourrait être la conception de revêtements en alliage d'aluminium résistant à l'usure et à la corrosion pour les industries de l'électronique et de l'automobile.
