Refroidir les matériaux très rapidement, appelé solidification rapide, empêche la formation des structures cristallines normales des matériaux, créant souvent des propriétés uniques dans le processus. Si les techniques de croissance monocristalline se situent à une extrémité du spectre de synthèse des matériaux, favoriser la croissance de la structure cristalline d'équilibre de ce matériau, les techniques de solidification rapide favorisent l'effet inverse, refroidir le matériau si rapidement du liquide au solide, que les cristaux formés sont petits, ou dans certains cas inexistants, devenant amorphe ou vitreux sans motif cristallin discernable à leur structure moléculaire globale.

C'est aussi un moyen de former des matériaux composites dont les constituants ont des températures de « congélation » très variables.

"Si vous prenez un métal en fusion et que vous le refroidissez, ce qui veut se former variera en fonction de sa chimie, " a déclaré Matt Kramer, scientifique du laboratoire Ames et directeur de la division des sciences et de l'ingénierie des matériaux, "parce que ce qui veut se former n'est pas toujours un solide homogène."

Par exemple, si vous congelez un mélange d'eau et d'alcool, l'eau se solidifiera d'abord en se transformant en glace tandis que l'alcool restera liquide, laissant un mélange fondu jusqu'à ce que la température soit abaissée à la température de congélation de l'alcool.

« Alors, lorsque vous jetez un alliage en fusion, de petits cristaux se formeront rapidement à la surface du moule, vous obtenez une ségrégation des matériaux et le liquide restant s'enrichit, " dit Kramer, qui est également professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Iowa State University, "ce qui donne un matériau en vrac hétérogène."

La solidification rapide permet au matériau de refroidir extrêmement rapidement afin de supprimer voire d'éliminer la ségrégation. Les techniques vont de la coulée en bande, qui refroidit les matériaux à environ 1, 000 Kelvins par seconde à la trempe anti-éclaboussures qui, comme le nom l'indique, écrase une goutte de matière liquide entre deux plaques. La trempe par projection peut refroidir le matériau jusqu'à 108 Kelvins par seconde.

« Pourquoi est-ce important ? Parce qu'il existe une relation intime entre la température et le moment où les matériaux refroidissent, " Kramer a déclaré. "Nous l'appelons TTT - Transformation Temps-Température."

Il faut un certain temps fini pour que les cristaux initiaux se forment, un processus appelé nucléation. Le matériau en fusion doit s'organiser en cristaux de seulement quelques dizaines d'atomes de diamètre, puis ces cristaux doivent croître.

"Il existe une relation très non linéaire entre le temps et la transformation de la température, " Kramer a poursuivi. "La solidification se produit sur une large plage de températures. A une température trop élevée, ça reste fondu. A une température juste en dessous de la température de fusion, le matériau se solidifie lentement, et dans les cas où les constituants ont des températures de fusion différentes, une ségrégation importante dans la coulée peut se produire si elle est refroidie lentement.

Les techniques de solidification rapide permettent aux chercheurs de contourner la transformation temps-température afin qu'un alliage métallique en fusion se forme sans ordre cristallin, créer un verre métallique.

"Les métaux vitreux ont des propriétés très inhabituelles, " Kramer a déclaré. "En moyenne, ils ont tendance à avoir une très bonne résistance, mais pas beaucoup de plasticité, ils sont donc difficiles à modeler en formes.

Cependant, en formant d'abord un verre métallique, puis réchauffer le matériau, les chercheurs peuvent atteindre des phases métastables du matériau qui ne sont pas réalisables par d'autres méthodes, comme le moulage. Et ces phases intermédiaires peuvent avoir des propriétés souhaitables telles que la résistance, ductilité, résistivité, ou conductivité.

"Manipuler les phases, leurs tailles, le degré auquel nous pouvons contrôler leur croissance, et même leur morphologie, ou des formes, sont tous enfouis dans les détails de la classique transformation temps-température, " a déclaré Kramer. " Une grande partie du travail que nous effectuons consiste à essayer de comprendre l'équilibre relatif entre les vitesses de refroidissement et le processus de sélection de phase. Comment pouvons-nous les prévoir et les contrôler afin de pouvoir aller au-delà d'une approche édisonienne."

Les chercheurs du laboratoire Ames utilisent plusieurs techniques, notamment le filage à l'état fondu et le moulage par injection pour produire des matériaux à petits grains et amorphes.

Filature à l'état fondu

Cette technique consiste à projeter un flux de matière fondue sur une roue en cuivre en rotation où elle se solidifie rapidement, formant un ruban de métal. La roue en cuivre est généralement refroidie à l'eau et en fonction de la vitesse à laquelle elle tourne, jusqu'à 30 mètres par seconde, le métal en fusion est trempé jusqu'à 106 Kelvins par seconde.

"Il y a des limites au processus, " a déclaré Jun Cui, scientifique du laboratoire Ames et professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'ISU. " La roue en cuivre doit être parfaitement équilibrée pour tourner à des vitesses aussi élevées. Et au-delà d'un certain point, la matière ne coule plus en ruban mais se brise."

Il existe également une variation dans le processus où la roue de cuivre a de petites rainures coupées sur sa surface. Ces rainures cassent intentionnellement le métal refroidi en bandes courtes, lequel

Cui a déclaré qu'il est plus facile de travailler avec certaines applications.

Coulée par injection

Comme le nom l'indique, la coulée par injection force le matériau fondu dans un moule en cuivre, généralement un petit cylindre qui produira des tiges courtes d'un à quatre millimètres de diamètre.

Le moule est maintenu à l'intérieur d'un plus grand moule en cuivre refroidi à l'eau fournissant des taux de trempe suffisamment rapides pour produire des échantillons amorphes (vitreux) dans certains alliages.

"De petits échantillons - généralement moins de cinq grammes - sont placés dans une buse en graphite ou en quartz et rapidement chauffés par induction à plusieurs centaines de degrés au-dessus du point de fusion, " a déclaré Matt Besser, Scientifique du laboratoire Ames et responsable du centre de préparation des matériaux du laboratoire. "Nous le laissons ensuite tomber de la zone de chauffage et pressurisons le système afin que le matériau gicle dans le moule."

En utilisant des moules de formes différentes, le matériau peut être coulé en plaques, ou cales. Besser a déclaré que les thermocouples peuvent être placés le long de la cale pour mesurer la différence de vitesse de refroidissement, du plus rapide à la pointe fine au plus lent à l'extrémité la plus épaisse.

"Nous sommes en mesure de fabriquer des échantillons pour répondre à des besoins spécifiques, " Besser a dit, "et c'est pratique car on peut produire de petits échantillons, surtout lorsque l'alliage contient des matériaux coûteux."

Chercher des explications pour les puzzles de solidification

L'un des moyens les plus courants et les plus robustes de créer un nouveau matériau, en particulier un alliage métallique, consiste à fondre deux ou plusieurs matériaux constitutifs, les mélanger à l'état liquide, puis les congeler ou les "solidifier" dans certaines conditions contrôlées. Bien qu'apparemment simple, le traitement de solidification peut produire une incroyable variété de structures matérielles avec des caractéristiques importantes à des échelles allant du nanomètre au centimètre, donnant lieu à une multitude de propriétés remarquables allant d'une résistance et d'une rigidité améliorées à des propriétés magnétiques inhabituelles, thermique, électrique, et propriétés photoniques.

Mais la composition et la structure, et donc les propriétés, de ce résultat final peut varier considérablement en fonction d'une variété de conditions présentes lorsque le matériau passe du liquide au solide. Le scientifique du laboratoire Ames, Ralph Napolitano, s'efforce d'expliquer et de prédire ce qui se passe à cette interface liquide-solide et comment ces diverses interactions aboutissent à certaines structures, chimies et propriétés.

« Lorsqu'un matériau passe d'une phase liquide à une phase solide, beaucoup de choses doivent se produire dans le cadre de cette transformation, " dit Napolitano, qui est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Iowa State University. "Nominalement parlant, une phase liquide amorphe ou non cristalline doit se reconfigurer en une sorte de garnissage cristallin. Mais de nombreux autres événements simultanés ont lieu pour que cela se produise. En effet, c'est la façon dont les différents processus de transport et les différentes entités structurelles entrent dans cette équation qui influence vraiment ce à quoi cette structure finale peut ressembler."

Si l'équilibre donne le résultat normal ou attendu, il y a toutes sortes d'écarts qui peuvent déplacer le résultat de l'équilibre. Certains d'entre eux sont de très petits écarts, telles que des compositions chimiques légèrement différentes ou des concentrations légèrement différentes de différents types de défauts cristallins. Les écarts peuvent également être très importants - un empilement ou une composition cristalline complètement différent ou même un ensemble de phases multiples que vous ne verrez peut-être jamais plus près de l'équilibre.

"Ce qui dicte à quelle distance de l'état d'équilibre final vous pourriez être, c'est ce qui se passe le long de cette voie du liquide d'équilibre à cette structure loin de l'équilibre, " a déclaré Napolitano. " Faire varier la composition d'un matériau et la vitesse à laquelle nous le refroidissons a une influence considérable sur la phase finale ou l'assemblage. "

"Au-delà de la phase - la structure cristalline particulière - les conditions pendant la congélation influencent grandement la morphologie de la croissance, " a-t-il poursuivi. " Toute phase donnée se développera avec une certaine morphologie qui est dynamiquement optimisée par rapport à tous les différents processus - tels que la redistribution de la chaleur, espèces chimiques, et la configuration des défauts cristallins, ce qui rend la transformation globale plus efficace. Composition et vitesse de refroidissement, ainsi que la phase elle-même et les énergies des défauts cristallins et des interfaces, tous participent à cette optimisation dynamique collective, aboutissant finalement à la sélection de l'état final, qui peut ne rien ressembler à l'état d'équilibre.

"Cette synthèse loin de l'équilibre fournit un portail ou une voie vers des structures, chimies, et des propriétés qui ne sont pas accessibles par les méthodes conventionnelles, ", a déclaré Napolitano.

Pour compliquer les choses, ces voies peuvent inclure plusieurs autres étapes — avant et après la solidification, de sorte que la structure de congélation complexe ne peut servir que d'étape intermédiaire, le long du chemin vers une structure souhaitée.

La vitesse de refroidissement offre un haut niveau de contrôle dans certaines fenêtres. À l'extrémité basse (lente), le taux de refroidissement peut être contrôlé très soigneusement, et même les vitesses de refroidissement des traitements isothermes à 100 degrés par seconde peuvent être raisonnablement bien contrôlées.

"On peut aller à des taux de refroidissement de 10 ³ à 10 ⁴ degrés par seconde avec des techniques comme le filage à l'état fondu, mais dans cette fenêtre, le contrôle des processus est difficile et des variations locales existent, " a déclaré Napolitano. "Nous avons enquêté sur de telles variations, et notre compréhension a certainement augmenté. Toutefois, avec relativement peu de « boutons de processus » à tourner (par exemple, température de fusion, vitesse de roue, matériel de roue, débit d'injection et diamètre du jet), un contrôle quantitatif précis reste un véritable défi."

Comme stratégie pour révéler une image plus claire des comportements complexes, Le groupe de Napolitano a choisi de se concentrer sur quelques systèmes sélectionnés à deux composants ou « binaires ». En particulier, systèmes binaires, tels que le cuivre-zirconium et l'aluminium-samarium, offrent d'excellentes occasions d'étudier la transformation loin de l'équilibre. Ces systèmes présentent une solidification compétitive complexe, formation de verre, et cristallisation, formant une multitude de phases de non-équilibre et de structures de croissance multi-échelles. À la fois, avec seulement deux composants, le traitement analytique et informatique de la thermodynamique et de la cinétique devient plus traitable, par rapport aux systèmes multi-composants.

"Avec ces deux systèmes, il existe une plage de composition sur laquelle le liquide forme un verre assez facilement pour que vous puissiez le refroidir à des vitesses réalisables expérimentalement, " dit Napolitano. " Une fois l'alliage vitreux, d'autres traitements peuvent être utilisés pour cristalliser le matériau à basse température. Dans ce régime, les conditions peuvent être contrôlées avec soin, et les réactions peuvent être considérablement ralenties, permettant même une enquête in situ en temps réel. Bien sûr, avoir une image précise et complète de la thermodynamique du système est essentiel. Que vous solidifiiez le matériau directement à partir d'un liquide, ou d'abord trempe dans un verre puis chauffage pour cristalliser le matériau, vous avez toujours le même terrain de jeu thermodynamique."

Le travail aluminium-samarium est étendu à une plus large gamme de binaires, y compris d'autres alliages d'aluminium et de terres rares. En général, ces systèmes devraient présenter des comportements similaires, bien que Napolitano prévienne que des effets très subtils peuvent considérablement faire pencher la balance entre les différentes phases et structures de croissance. De très petites différences énergétiques existent entre les phases concurrentes. Sous des forces motrices élevées, ces différences sont souvent négligeables et les voies cinétiques contrôlent le résultat. Même des changements dans la composition chimique de l'ordre d'un pour cent ou moins peuvent changer radicalement l'état final.

"Ce type d'étude n'est possible qu'en rassemblant de nombreuses approches différentes en physique théorique de la matière condensée, la science des matériaux, thermodynamique numérique, synthèse de matériaux, et une caractérisation de pointe, " Napolitano a déclaré. "Il ne fait aucun doute que ce travail nécessite toute la gamme des capacités expérimentales et informatiques et une équipe d'enquêteurs avec un large éventail d'expertise. "

À cette fin, le nouvel équipement de microscopie électronique de l'installation d'instruments sensibles (SIF) du laboratoire Ames jouera un rôle essentiel. "C'est important non seulement en termes de résolution spatiale, mais aussi certaines des capacités in situ, ", a-t-il déclaré. "La microscopie électronique à transmission à étage chaud avec une résolution à l'échelle atomique nous permettra d'examiner certaines des dynamiques à un stade précoce qui sont vraiment des événements décisifs qui ont tendance à envoyer le matériau sur une toute autre trajectoire. Alors absolument, le SIF est essentiel pour aller de l'avant dans ce domaine."