Alliages à haute entropie, qui sont fabriqués à partir de parties presque égales de plusieurs métaux primaires, pourrait avoir un grand potentiel pour créer des matériaux avec des propriétés mécaniques supérieures.

Mais avec un nombre pratiquement illimité de combinaisons possibles, un défi pour les métallurgistes est de déterminer où concentrer leurs efforts de recherche dans un vaste, monde inexploré des mélanges métalliques.

Une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology a développé un nouveau processus qui pourrait aider à guider de tels efforts. Leur approche consiste à construire une carte chimique à résolution atomique pour aider à obtenir de nouvelles informations sur les alliages individuels à haute entropie et aider à caractériser leurs propriétés.

Dans une étude publiée le 9 octobre dans la revue La nature , les chercheurs ont décrit l'utilisation de la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie pour créer des cartes de métaux individuels dans deux alliages à haute entropie. Cette technique de spectroscopie, utilisé en conjonction avec la microscopie électronique à transmission, détecte les rayons X émis par un échantillon lors d'un bombardement par un faisceau d'électrons pour caractériser la composition élémentaire d'un échantillon analysé. Les cartes montrent comment les atomes individuels s'organisent dans l'alliage, permettant aux chercheurs de rechercher des modèles qui pourraient les aider à concevoir des alliages mettant l'accent sur les propriétés individuelles.

Par exemple, les cartes pourraient donner aux chercheurs des indices pour comprendre pourquoi substituer un métal à un autre pourrait rendre un alliage plus fort ou plus faible, ou pourquoi un métal surpasse les autres dans des environnements extrêmement froids.

"La plupart des alliages utilisés dans les applications d'ingénierie n'ont qu'un seul métal primaire, comme le fer dans l'acier ou le nickel dans les superalliages à base de nickel, avec des quantités relativement faibles d'autres métaux, " dit Ting Zhu, professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "Ces nouveaux alliages qui ont des concentrations relativement élevées de cinq métaux ou plus ouvrent la possibilité d'alliages non conventionnels qui peuvent avoir des propriétés sans précédent. Mais c'est un nouvel espace de composition qui n'a pas été exploré, et nous avons encore une compréhension très limitée de cette classe de matériaux."

Le nom "haute entropie" fait référence au manque d'uniformité du mélange de métaux ainsi qu'au nombre de manières différentes et quelque peu aléatoires dont les atomes des métaux peuvent être disposés lorsqu'ils sont combinés.

Les nouvelles cartes pourraient aider les chercheurs à déterminer s'il existe des structures atomiques non conventionnelles que ces alliages prennent et qui pourraient être exploitées pour des applications d'ingénierie, et quel contrôle les chercheurs pourraient-ils avoir sur les mélanges afin de les "ajuster" pour des traits spécifiques, dit Zhu.

Pour tester la nouvelle approche d'imagerie, l'équipe de recherche a comparé deux alliages à haute entropie contenant cinq métaux. L'un était un mélange de chrome, fer à repasser, cobalt, nickel, et manganèse, une combinaison communément appelée alliage "Cantor". L'autre était similaire mais substituait le palladium au manganèse. Cette seule substitution a entraîné un comportement très différent dans la façon dont les atomes se sont arrangés dans le mélange.

"Dans l'alliage Cantor, la distribution des cinq éléments est systématiquement aléatoire, " dit Zhu. " Mais avec le nouvel alliage contenant du palladium, les éléments montrent des agrégations significatives en raison de la taille atomique très différente des atomes de palladium ainsi que de leur différence d'électronégativité par rapport aux autres éléments."

Dans le nouvel alliage avec palladium, la cartographie a montré que le palladium avait tendance à former de gros amas tandis que le cobalt semblait s'accumuler dans des endroits où le fer était en faible concentration.

Ces agrégations, avec leurs tailles et espacements de l'ordre de quelques nanomètres, offrent une forte résistance à la déformation et pourraient expliquer les différences de propriétés mécaniques d'un alliage à haute entropie à un autre. Dans les tests de contrainte, l'alliage avec le palladium a montré une limite d'élasticité plus élevée tout en conservant un écrouissage et une ductilité à la traction similaires à ceux de l'alliage Cantor.

"La modulation à l'échelle atomique de la distribution des éléments produit la fluctuation de la résistance du réseau, qui ajuste fortement les comportements de luxation, " dit Qian Yu, co-auteur de l'article et professeur à l'Université du Zhejiang. "Une telle modulation se produit à une échelle plus fine que le durcissement par précipitation et plus grande que celle du renforcement traditionnel par solution solide. Et elle permet de comprendre le caractère intrinsèque des alliages à haute entropie."

Les résultats pourraient permettre aux chercheurs de concevoir des alliages sur mesure à l'avenir, tirer parti d'une propriété ou d'une autre.

L'équipe comprenait également des chercheurs de l'Université du Tennessee, Knoxville ; Université de Tsinghua; et l'Académie chinoise des sciences.