Des chercheurs japonais ont pu prédire rapidement et avec précision la microstructure des alliages Nickel-Aluminium (Ni-Al) qui sont couramment utilisés dans la conception de pièces de turbine de moteur à réaction. Les prédictions de la microstructure de ces alliages ont été jusqu'à présent longues et coûteuses. Les découvertes ont le potentiel de faire progresser considérablement la conception de matériaux - composés d'une gamme d'alliages différents - qui sont utilisés pour fabriquer des produits dans plusieurs secteurs industriels différents.

Les alliages sont des matériaux durables composés de deux métaux ou plus. Les coûts élevés actuels et les limitations de conception des procédés de fabrication d'alliages traditionnels ont conduit à la nécessité de créer des méthodes de conception plus efficaces. Un défi clé a été de savoir comment prédire avec précision la microstructure d'un alliage (la structure à très petite échelle qui n'est visible qu'au microscope) qui peut grandement influencer les propriétés physiques telles que la résistance, dureté, résistance à la corrosion, dureté et/ou résistance à l'usure.

Les auteurs ont pu prédire les microstructures des alliages en utilisant la "méthode du champ de phase du premier principe". Cette procédure prédit la microstructure des alliages en se basant uniquement sur les lois fondamentales de la physique (premiers principes) et utilise ensuite ces paramètres pour modéliser les formations de la microstructure (champ de phase). Ceci est contraire à la modélisation empirique, ou des prédictions basées uniquement sur des expériences ou des observations antérieures. Par ailleurs, les chercheurs ont mené leurs expériences de modélisation à des températures élevées qui imitent celles des turbines des moteurs à réaction (~ 1027 ^o C).

La recherche a été publiée dans Communication Nature le 1er août 2019.

La quête de nouveaux matériaux aux propriétés recherchées nécessite une ingénierie de la microstructure des matériaux basée sur l'évolution de plusieurs variables, comme la composition, morphologie, pression, Température, se doper, moulage et forgeage.

Une technique de simulation fiable qui peut aider à la conception et à la production de nouveaux matériaux sur la base d'un seul principe théorique pourrait rendre la production plus rapide et moins chère. Cependant, la plupart des théories actuelles de la conception matérielle sont phénoménologiques et dérivées d'observations expérimentales et d'expériences empiriques. Celles-ci sont à la fois chronophages et coûteuses.

Qu'est-ce qui rend la méthode du champ de phase des premiers principes si avantageuse, selon les auteurs, est qu'il relie les calculs précis à petite échelle (premiers principes) et le modèle à grande échelle (champ de phase) par la théorie de la renormalisation, un concept en physique qui rend essentiellement finis les degrés de liberté infinis, ou à variables continues discrètes. En d'autres termes, en utilisant leur méthode, ils ont réussi à surmonter des procédures expérimentales longues et coûteuses tout en produisant des matériaux en accord avec les méthodes expérimentales.

« La méthode du champ de phase des premiers principes a été inventée en tant que première technique de simulation multi-échelle innovante au monde. En utilisant cette méthode, nous avons pu prédire avec succès les microstructures complexes de toutes les compositions d'alliages Ni-Al à partir des premiers principes (lois fondamentales de la physique) sans utiliser aucun paramètre empirique, et nos résultats concordent assez bien avec les expériences, " dit Kaoru Ohno, auteur correspondant et professeur à l'Université nationale de Yokohama.

Ohno et ses co-auteurs de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon affirment que la méthode peut être utilisée pour prédire la résistance mécanique des alliages, car les distributions de force locales ainsi que les microstructures peuvent être facilement calculées.

La méthode que les auteurs présentent peut également être utilisée pour prédire les microstructures des alliages multi-composants, ou des alliages composés de plus de deux métaux. « Ces études mettent en évidence la nature fondamentale des aciers et autres alliages qui n'a jusqu'à présent été démontrée que sur la base d'observations empiriques. la méthode proposée est un outil théorique puissant pour prédire rapidement l'alliage le plus approprié pouvant réaliser la résistance souhaitée, dureté, ductilité, plasticité, légèreté, etc. autant que possible, " ajoute Ohno.

À l'avenir, les auteurs prévoient d'appliquer la méthode à divers matériaux en acier et autres alliages multi-composants afin de prédire la dépendance des microstructures et des distributions de contraintes locales sur leurs compositions initiales et de mieux comprendre leurs caractéristiques.