En utilisant la simulation informatique, Alberto Ferrari a calculé une proposition de conception pour un alliage à mémoire de forme qui conserve son efficacité pendant longtemps, même à haute température. Alexander Paulsen l'a fabriqué et a confirmé expérimentalement la prédiction. L'alliage de titane, le tantale et le scandium sont bien plus qu'un nouvel alliage à mémoire de forme haute température. Plutôt, l'équipe de recherche du Centre interdisciplinaire de simulation de matériaux avancés (Icams) et de l'Institut des matériaux de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) a également démontré comment les prédictions théoriques peuvent être utilisées pour produire de nouveaux matériaux plus rapidement. Le groupe a publié son rapport dans la revue Documents d'examen physique à partir du 21 octobre 2019. Leur travail a été présenté comme une suggestion de l'éditeur.

Éviter la phase indésirable

Les alliages à mémoire de forme peuvent rétablir leur forme d'origine après déformation lorsque la température change. Ce phénomène est basé sur une transformation du réseau cristallin dans lequel les atomes des métaux sont disposés. Les chercheurs se réfèrent à la transformation de phase. « En plus des phases souhaitées, il y en a aussi d'autres qui se forment de façon permanente et affaiblissent considérablement voire détruisent totalement l'effet mémoire de forme, " explique le Dr Jan Frenzel de l'Institut des matériaux. La phase dite oméga se produit à une température spécifique, selon la composition du matériau. À ce jour, de nombreux alliages à mémoire de forme pour la plage de températures élevées ne supporteraient que quelques déformations avant de devenir inutilisables une fois la phase oméga installée.

Les alliages à mémoire de forme prometteurs pour les applications à haute température sont basés sur un mélange de titane et de tantale. En changeant les proportions de ces métaux dans l'alliage, les chercheurs peuvent déterminer la température à laquelle se produit la phase oméga. "Toutefois, alors que nous pouvons déplacer cette température vers le haut, la température de la transformation de phase souhaitée est malheureusement abaissée dans le processus, " dit Jan Frenzel.

Le mélange modifie les propriétés

Les chercheurs du RUB ont tenté de comprendre en détail les mécanismes d'apparition de la phase oméga, afin de trouver des moyens d'améliorer les performances des alliages à mémoire de forme pour la gamme des hautes températures. À cette fin, Alberto Ferrari, doctorat chercheur à l'Icams, ont calculé la stabilité des phases respectives en fonction de la température pour différentes compositions de titane et de tantale. "Il a pu l'utiliser pour confirmer les résultats d'expériences, " précise le Dr Jutta Rogal de l'Icams.

A l'étape suivante, Alberto Ferrari a simulé de petites quantités de troisièmes éléments ajoutés à l'alliage à mémoire de forme de titane et de tantale. Il a sélectionné les candidats selon des critères précis, par exemple, ils doivent être aussi non toxiques que possible. Il est apparu qu'un mélange de quelques pourcents de scandium devait permettre à l'alliage de fonctionner longtemps même à haute température. "Même si le scandium appartient aux terres rares et est, par conséquent, cher, nous n'en avons besoin que de très peu, c'est pourquoi cela vaut la peine d'être utilisé de toute façon, " explique Jan Frenzel.

La prédiction est exacte

Alexander Paulsen a ensuite produit l'alliage calculé par Alberto Ferrari à l'Institut des matériaux et testé ses propriétés dans une expérience :les résultats ont confirmé les calculs. Un examen microscopique des échantillons a prouvé plus tard que même après de nombreuses déformations, aucune phase oméga n'a été trouvée dans le réseau cristallin de l'alliage. « Nous avons ainsi élargi nos connaissances de base sur les alliages à mémoire de forme à base de titane et développé d'éventuels nouveaux alliages à mémoire de forme à haute température, " dit Jan Frenzel. " De plus, c'est formidable que les prédictions de la simulation informatique soient si précises." Étant donné que la production de tels alliages est très complexe, la mise en œuvre de propositions de conception assistée par ordinateur pour de nouveaux matériaux promet un succès beaucoup plus rapide.