Les chercheurs ici ont fait une découverte dans la science des matériaux qui ressemble à quelque chose du vieux dessin animé du samedi matin Super Friends :ils ont trouvé un moyen de désactiver les « nano-jumeaux » pour améliorer les propriétés à haute température des superalliages utilisés dans les moteurs à réaction.

L'avancée pourrait accélérer le développement de moteurs à turbine puissants et respectueux de l'environnement de toutes sortes, y compris ceux utilisés pour le transport et la production d'électricité.

Les "nano twins" en question sont des défauts microscopiques qui se développent à l'intérieur des alliages et les fragilisent, leur permettant de se déformer sous la chaleur et la pression. Dans la revue Communication Nature , Les ingénieurs de l'Ohio State University décrivent comment adapter la composition d'un alliage, puis l'exposer à une chaleur et une pression élevées, peut non seulement empêcher la formation de nanojumeaux, cela peut en fait rendre l'alliage plus solide.

Dans les essais, la technique, qu'ils ont surnommé "renforcement de la transformation de phase, " a éliminé la formation de nano-jumeaux et réduit de moitié la déformation de l'alliage.

Fort, les alliages résistants à la chaleur permettent aux moteurs à turbine de fonctionner proprement et efficacement, a expliqué Michael Mills, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et chef de projet à l'Ohio State. Lorsqu'un moteur peut fonctionner à des températures très élevées, il consomme plus son carburant et produit moins d'émissions.

"Nous avons constaté que l'augmentation des concentrations de certains éléments dans les superalliages inhibe la formation de jumeaux de déformation à haute température, améliorant ainsi considérablement les capacités à haute température des alliages, " dit Mills.

Ces jours, les alliages les plus avancés sont conçus sur ordinateur - pratiquement atome par atome - et l'équipe de Mills a entrepris de remédier à ce qu'il a appelé un déficit dans le "quantitatif, compréhension globale" de la façon dont ces matériaux exotiques à base de métaux se déforment sous des contraintes élevées.

Les chercheurs ont fait cette découverte lorsqu'ils étudiaient la formation de nanojumeaux dans deux superalliages commerciaux différents. Ils ont compressé des échantillons d'alliages avec des milliers de livres de pression à environ 1, 400 degrés Fahrenheit - une température comparable à celle d'un moteur à réaction en marche - et ensuite examiné les structures cristallines des alliages avec des microscopes électroniques et modélisé le comportement de la mécanique quantique des atomes sur un ordinateur.

Dans les deux alliages, la température et la pression ont provoqué le développement de failles nanojumelles dans les cristaux de superalliage. Et, dans les deux alliages, la composition des matériaux dans et autour des failles a changé, mais de différentes manières.

Grâce à une séquence de sauts à l'échelle atomique, certains éléments - comme les atomes de nickel et d'aluminium - diffusés loin des failles, tandis que d'autres se sont diffusés dans les failles. Les chercheurs ont pu détecter ces mouvements à petite échelle à l'aide des microscopes électroniques avancés du Center for Electron Microscopy and Analysis (CEMAS) de l'Ohio State. qui offre l'une des plus grandes concentrations d'instruments de microscopie analytique à faisceau d'électrons et d'ions de toutes les institutions nord-américaines.

« Dans le premier alliage, qui n'était pas aussi fort à haute température, des atomes de cobalt et de chrome ont rempli la faille, " a déclaré Timothy Smith, ancien étudiant de l'Ohio State et auteur principal de l'étude. "Cela a affaibli la zone autour de la faille et lui a permis de s'épaissir et de devenir un nano jumeau."

Mais dans le deuxième alliage, celui qui n'a pas formé de nano-jumeaux, les éléments titane, le tantale et le niobium avaient plutôt tendance à se diffuser dans les failles. Par conséquent, une nouvelle phase de matière très stable s'est formée juste au niveau des failles. La nouvelle phase était si stable qu'elle a résisté à la formation de nano-jumeaux.

La tendance des atomes particuliers à diffuser dans les failles nano-jumelles dépend de la composition globale de l'alliage, les chercheurs ont trouvé. "Nous avons découvert que lorsque la quantité de titane, tantale, et le niobium dans l'alliage a été augmenté, tout en diminuant le cobalt et le chrome, nous pourrions en fait renforcer la région autour des failles et empêcher la faille de s'élargir en un nano jumeau, " dit Smith.

La combinaison innovante des chercheurs d'imagerie de niveau atomique et de calcul haut de gamme est une caractéristique unique des recherches menées au CEMAS, dit David McComb, co-auteur de l'étude et directeur du CEMAS.

"De telles recherches illustrent parfaitement la puissance du CEMAS pour aider à la découverte de nouveaux matériaux et procédés, " il ajouta.

L'équipe continue d'étudier le renforcement des phases de transformation, pour voir si l'adaptation des compositions d'alliage de différentes manières pourrait améliorer l'effet.

Smith a obtenu son doctorat en effectuant ce travail, et est maintenant ingénieur en matériaux de recherche au NASA Glenn Research Center. Les co-auteurs de l'article comprenaient Robert Williams, directeur adjoint du CEMAS; Wolfgang Windl, professeur de science et ingénierie des matériaux; Hamish Fraser, Ohio Eminent Scholar et professeur de science et d'ingénierie des matériaux; et les doctorants Bryan Esser et Nikolas Antolin, tout l'État de l'Ohio ; Anna Carlsson de FEI/Thermo Fisher Scientific; et Andrew Wessman de GE.