UMass Amherst Ph.D. L'étudiant Jie Ren tient un ventilateur de dissipateur thermique miniature, l'un des composants en alliage à haute entropie imprimés en 3D fabriqués dans le laboratoire de Wen Chen. Le réarrangement atomique de la microstructure donne lieu à une résistance ultra-élevée ainsi qu'à une ductilité améliorée, selon des recherches menées par UMass Amherst et Georgia Tech. Crédit :UMass Amherst
Une équipe de chercheurs de l'Université du Massachusetts à Amherst et du Georgia Institute of Technology a imprimé en 3D un alliage nanostructuré à haute entropie qui dépasse la résistance et la ductilité d'autres matériaux fabriqués de manière additive à la pointe de la technologie, ce qui pourrait conduire à des composants plus performants pour des applications dans l'aérospatiale, la médecine, l'énergie et les transports. Les travaux, dirigés par Wen Chen, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à UMass, et Ting Zhu, professeur de génie mécanique à Georgia Tech, sont publiés en ligne par la revue Nature .
Au cours des 15 dernières années, les alliages à haute entropie (HEA) sont devenus de plus en plus populaires en tant que nouveau paradigme en science des matériaux. Composés de cinq éléments ou plus dans des proportions presque égales, ils offrent la possibilité de créer un nombre presque infini de combinaisons uniques pour la conception d'alliages. Les alliages traditionnels, tels que le laiton, l'acier au carbone, l'acier inoxydable et le bronze, contiennent un élément primaire associé à un ou plusieurs oligo-éléments.
La fabrication additive, également appelée impression 3D, est récemment apparue comme une approche puissante du développement de matériaux. L'impression 3D à base de laser peut produire de grands gradients de température et des taux de refroidissement élevés qui ne sont pas facilement accessibles par les voies conventionnelles. Cependant, "le potentiel d'exploiter les avantages combinés de la fabrication additive et des HEA pour obtenir de nouvelles propriétés reste largement inexploré", déclare Zhu.
Chen et son équipe du laboratoire de matériaux et de fabrication multi-échelles ont combiné un HEA avec une technique d'impression 3D de pointe appelée fusion laser sur lit de poudre pour développer de nouveaux matériaux aux propriétés sans précédent. Parce que le processus fait fondre et solidifier les matériaux très rapidement par rapport à la métallurgie traditionnelle, "vous obtenez une microstructure très différente qui est loin de l'équilibre" sur les composants créés, dit Chen. Cette microstructure ressemble à un filet et est constituée de couches alternées appelées structures nanolamellaires cubiques centrées sur la face (FCC) et cubiques centrées sur le corps (BCC) intégrées dans des colonies eutectiques à l'échelle microscopique avec des orientations aléatoires. Le HEA nanostructuré hiérarchique permet la déformation coopérative des deux phases.
Wen Chen, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à UMass Amherst, se tient devant des images de composants en alliage à haute entropie imprimés en 3D (ventilateur de radiateur et réseau d'octect, à gauche) et une carte de figure de pôle inverse de diffraction de rétrodiffusion d'électrons en coupe démontrant une microstructure de nanolamelles orientées de manière aléatoire (à droite). Crédit :UMass Amherst
"Le réarrangement atomique de cette microstructure inhabituelle donne lieu à une résistance ultra-élevée ainsi qu'à une ductilité améliorée, ce qui est rare, car les matériaux généralement solides ont tendance à être cassants", a déclaré Chen. Par rapport à la coulée de métal conventionnelle, "nous avons presque triplé la résistance et non seulement nous n'avons pas perdu de ductilité, mais nous l'avons en fait augmentée simultanément", dit-il. "Pour de nombreuses applications, une combinaison de résistance et de ductilité est essentielle. Nos découvertes sont originales et passionnantes pour la science des matériaux et l'ingénierie."
"The ability to produce strong and ductile HEAs means that these 3D printed materials are more robust in resisting applied deformation, which is important for lightweight structural design for enhanced mechanical efficiency and energy saving," says Jie Ren, Chen's Ph.D. student and first author of the paper.
Zhu's group at Georgia Tech led the computational modeling for the research. He developed dual-phase crystal plasticity computational models to understand the mechanistic roles played by both the FCC and BCC nanolamellae and how they work together to give the material added strength and ductility.
"Our simulation results show the surprisingly high strength yet high hardening responses in the BCC nanolamellae, which are pivotal for achieving the outstanding strength-ductility synergy of our alloy. This mechanistic understanding provides an important basis for guiding the future development of 3D printed HEAs with exceptional mechanical properties," Zhu says.
In addition, 3D printing offers a powerful tool to make geometrically complex and customized parts. In the future, harnessing 3D printing technology and the vast alloy design space of HEAs opens ample opportunities for the direct production of end-use components for biomedical and aerospace applications.
Additional research partners on the paper include Texas A&M University, the University of California Los Angeles, Rice University, and Oak Ridge and Lawrence Livermore national laboratories. Using neutrons to analyze modified high-entropy metal alloys
