Fabrication additive d'un superalliage à base de cobalt-nickel (CoNi) par fusion par faisceau d'électrons (EBM) et fusion laser sélective (SLM). Illustré (de gauche à droite) :micrographies par microscopie électronique à balayage (MEB) de la poudre métallique de l'alliage SB-CoNi-10 utilisée pour a) l'EBM et b) les essais d'impression SLM de géométries de barres simples (c, d) imprimé pour les essais de traction uniaxiale ; et des géométries complexes telles que des prototypes d'aubes de turbine avec e) canaux de refroidissement internes ou f) minces, plates-formes suspendues. Crédit : Collège d'ingénierie
Dans les années récentes, il est devenu possible d'utiliser des faisceaux laser et des faisceaux d'électrons pour « imprimer » des objets d'ingénierie avec des formes complexes qui ne pourraient pas être obtenues par une fabrication conventionnelle. Le procédé de fabrication additive (FA), ou impression 3D, pour les matériaux métalliques consiste à faire fondre et fusionner des particules de poudre à petite échelle - chacune environ 10 fois plus fine qu'un grain de sable de plage - dans des « flaques d'eau » submillimétriques créées en focalisant un faisceau laser ou d'électrons sur le matériau.
"Les faisceaux hautement focalisés offrent un contrôle exquis, permettant le "réglage" des propriétés dans les emplacements critiques de l'objet imprimé, " dit Tresa Pollock, professeur de matériaux et doyen associé du College of Engineering de l'UC Santa Barbara. "Malheureusement, de nombreux alliages métalliques avancés utilisés dans des environnements extrêmement calorifiques et chimiquement corrosifs rencontrés dans l'énergie, les applications spatiales et nucléaires ne sont pas compatibles avec le processus AM.
Le défi de découvrir de nouveaux matériaux compatibles AM était irrésistible pour Pollock, un scientifique de renommée mondiale qui mène des recherches sur les matériaux et revêtements métalliques avancés. "C'était intéressant, " elle a dit, « parce qu'une suite d'alliages hautement compatibles pourrait transformer la production de matériaux métalliques à haute valeur économique - c'est-à-dire des matériaux coûteux car leurs constituants sont relativement rares dans la croûte terrestre - en permettant la fabrication de conceptions géométriquement complexes avec un minimum de déchets de matériaux.
"La plupart des alliages à très haute résistance qui fonctionnent dans des environnements extrêmes ne peuvent pas être imprimés, car ils craquent, " continua Pollock, le professeur émérite des matériaux ALCOA. "Ils peuvent se fissurer à l'état liquide, lorsqu'un objet est encore en cours d'impression, ou à l'état solide, une fois le matériau retiré et soumis à des traitements thermiques. Cela a empêché les gens d'utiliser des alliages que nous utilisons actuellement dans des applications telles que les moteurs d'avion pour imprimer de nouveaux modèles qui pourraient, par exemple, augmenter considérablement les performances ou l'efficacité énergétique."
Maintenant, dans un article de la revue Communication Nature , Goberge, en collaboration avec Carpenter Technologies, Laboratoire national d'Oak Ridge, Chris Torbet et Gareth Seward, scientifiques de l'UCSB, et doctorat de l'UCSB. étudiants Sean Murray, Kira Pusch, et Andrew Polonsky, décrit une nouvelle classe de superalliages qui surmontent ce problème de fissuration et, donc, sont très prometteurs pour faire progresser l'utilisation de la FA pour produire des composants uniques complexes destinés à être utilisés dans des conditions de stress élevé, environnements performants.
La recherche a été financée par une bourse Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF) de 3 millions de dollars que Pollock a reçue du département américain de la Défense en 2017. Le VBFF est le prix le plus prestigieux du département de la Défense pour un seul chercheur. soutenir la recherche fondamentale qui pourrait avoir un impact transformateur.
Dans le journal, les auteurs décrivent une nouvelle classe de haute résistance, résistant aux défauts, superalliages imprimables en 3D, définis comme typiquement des alliages à base de nickel qui maintiennent leur intégrité matérielle à des températures allant jusqu'à 90 % de leur point de fusion. La plupart des alliages se désagrègent à 50 % de leur température de fusion. Ces nouveaux superalliages contiennent des parts approximativement égales de cobalt (Co) et de nickel (Ni), plus de plus petites quantités d'autres éléments. Ces matériaux se prêtent à l'impression 3D sans fissure par fusion par faisceau d'électrons (EBM) ainsi qu'aux approches plus difficiles du lit de poudre laser, ce qui les rend largement utiles pour la pléthore de machines d'impression qui entrent sur le marché.
En raison de leurs excellentes propriétés mécaniques à des températures élevées, les superalliages à base de nickel sont le matériau de choix pour les composants structurels tels que les aubes et aubes de turbine monocristallines (SX) utilisées dans les sections chaudes des moteurs d'avion. Dans une variante d'un superalliage que l'équipe a développé, Pollock a dit, "Le pourcentage élevé de cobalt nous a permis de concevoir des caractéristiques dans les états liquide et solide de l'alliage qui le rendent compatible avec un large éventail de conditions d'impression."
Le développement du nouvel alliage a été facilité par des travaux antérieurs effectués dans le cadre de projets financés par la NSF alignés sur l'initiative nationale Materials Genome, qui a pour objectif sous-jacent de soutenir la recherche pour relever les grands défis auxquels la société est confrontée en développant des matériaux avancés "deux fois plus vite à la moitié du coût".
Le travail NSF de Pollock dans ce domaine a été mené en collaboration avec les professeurs de matériaux de l'UCSB Carlos G. Levi et Anton Van der Ven. Leurs efforts ont impliqué le développement et l'intégration d'une suite d'outils informatiques et de conception d'alliages à haut débit nécessaires pour explorer le vaste espace de composition à plusieurs composants requis pour découvrir de nouveaux alliages. En discutant du nouveau document, Pollock a également reconnu le rôle important de l'environnement de recherche collaborative au Collège d'ingénierie qui a rendu ce travail possible.