La fabrication additive, aussi appelée impression 3D, est couramment utilisé pour construire des objets tridimensionnels complexes, couche par couche. Les chercheurs d'A*STAR ont montré que le processus peut également aider à rendre un alliage hautes performances encore plus résistant.

Le cobalt-chrome-fer-nickel-manganèse (CoCrFeNiMn) est connu comme un alliage à haute entropie. Découvert en 2004, il résiste particulièrement bien aux fractures dans des conditions environnementales difficiles, telles que les basses températures. Pour fabriquer un objet à partir de l'alliage, les chercheurs versent généralement le métal en fusion dans un moule, laisser refroidir, puis usinez-le dans la forme souhaitée. Cependant, cela peut être un moyen long et coûteux de fabriquer des composants complexes. En principe, la fabrication additive pourrait sauter l'étape d'usinage pour fabriquer directement des composants complexes.

Nai Mui Ling Sharon du A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), ses collègues, et des collaborateurs internationaux ont montré qu'une méthode de fabrication additive, appelée fusion laser sélective, est bien adapté aux composants de construction de CoCrFeNiMn. Le processus utilise un puissant faisceau laser pour faire fondre de minuscules particules de poudre de l'alliage, qui fusionnent ensuite pour former un objet solide. Remarquablement, les chercheurs ont découvert que le processus produit en fait un matériau plus résistant que les méthodes de moulage conventionnelles. "Il présente une résistance accrue avec une ductilité relativement bonne, " dit Zhu Zhiguang, chercheur au sein de l'équipe SIMTech qui a dirigé l'étude.

Les chercheurs ont d'abord créé une poudre pré-alliée de CoCrFeNiMn, contenant des particules mesurant en moyenne 36 micromètres de diamètre. Ensuite, ils ont utilisé la fusion au laser pour transformer les particules en cubes de 10 millimètres de large, ou des barres plates de 90 millimètres. Ils ont également fait varier la puissance du laser, et la vitesse à laquelle il a balayé les particules d'alliage, pour comprendre comment différentes conditions d'impression ont affecté les performances de l'alliage.

L'analyse des échantillons a révélé un certain nombre de caractéristiques qui ont déterminé les propriétés du matériau. Par exemple, il contenait des bassins de fusion microscopiques, plutôt comme des soudures miniatures qui maintenaient le matériau ensemble. Il contenait également des grains cristallins allongés d'environ 13 micromètres de diamètre; ces grains ont été subdivisés en plus petites « cellules » de moins d'un micromètre de large. Les chercheurs ont découvert que ces cellules jouaient un rôle crucial dans le renforcement de l'alliage.

Les cristaux contiennent un réseau régulier d'atomes disposés en motifs répétitifs. Les gros cristaux se clivent souvent assez facilement - si les atomes d'une partie du cristal glissent hors de leur place, ils forcent les atomes voisins à glisser de la même manière, envoyant une fracture courir à travers tout le cristal.

Mais les matériaux formés à partir de nombreux grains plus petits peuvent éviter ce problème. C'est parce que la structure cristalline de chaque grain peut ne pas s'aligner avec ses voisins, ainsi, toute dislocation atomique s'arrête dès qu'elle atteint un joint de grain.

Les minuscules alvéoles de l'alliage du chercheur semblent renforcer cet effet de renforcement, piégeant les dislocations et offrant une amélioration majeure de la résistance du matériau. L'un des alliages imprimés, préparé dans des conditions d'impression optimisées, pourrait résister à 510 mégapascals de stress avant de commencer à se déformer de façon permanente. C'est presque le double de la contrainte qu'un alliage CoCrFeNiMn préparé de manière conventionnelle peut supporter.

Les chercheurs ont ensuite chauffé leurs objets imprimés en 3D à 900 degrés Celsius pendant une heure sous atmosphère inerte. Cela a partiellement supprimé la structure cellulaire et réduit la résistance du matériau, mais cela a également rendu le matériau plus ductile, lui permettant de se déformer davantage.

Les chercheurs espèrent que peaufiner les processus d'impression 3D pourrait encore améliorer les propriétés mécaniques des matériaux. Ils prévoient également d'utiliser la fusion laser sélective pour fabriquer d'autres alliages à hautes performances, afin qu'ils puissent étudier comment la structure microscopique des matériaux affecte leurs propriétés. "Avec cette compréhension, nous serons mieux équipés pour adapter leurs propriétés à une application industrielle, et contribuer à accélérer l'adoption de la fabrication additive, " dit Naï.