Crédit: Scripta Materialia (2017). DOI :10.1016/j.scriptamat.2017.09.042
Lors du collage de deux pièces de métal, soit les métaux doivent fondre un peu là où ils se rencontrent, soit du métal en fusion doit être introduit entre les pièces. Une liaison solide se forme alors lorsque le métal se solidifie à nouveau. Mais des chercheurs du MIT ont découvert que dans certaines situations, la fusion peut en fait inhiber la liaison métallique plutôt que la favoriser.
Cette découverte surprenante et contre-intuitive pourrait avoir de sérieuses implications pour la conception de certains procédés de revêtement ou pour l'impression 3D, qui nécessitent tous deux d'obtenir des matériaux pour coller ensemble et rester ainsi.
La recherche, réalisée par les post-doctorants Mostafa Hassani-Gangaraj et David Veysset et les professeurs Keith Nelson et Christopher Schuh, a été rapporté dans deux articles, dans les revues Lettres d'examen physique et Scripta Materialia .
Schuh, qui est le professeur de métallurgie Danae et Vasilis Salapatas et chef du département de science et génie des matériaux, explique que l'un des articles décrit "une avancée révolutionnaire dans la technologie" pour l'observation d'interactions à très haute vitesse, tandis que l'autre utilise cette imagerie à grande vitesse pour révéler que la fusion induite par l'impact de particules de métal peut entraver la liaison.
Le montage optique, avec une caméra haute vitesse qui utilise 16 puces d'imagerie à dispositif à couplage de charge (CCD) distinctes et peut enregistrer des images en seulement 3 nanosecondes, a été principalement développé par Veysset. La caméra est si rapide qu'elle peut suivre les particules individuelles pulvérisées sur une surface à des vitesses supersoniques, un exploit qui n'était pas possible auparavant. L'équipe a utilisé cette caméra, qui peut prendre jusqu'à 300 millions d'images par seconde, d'observer un processus semblable à une peinture par pulvérisation similaire à ceux utilisés pour appliquer un revêtement métallique sur des surfaces dans de nombreuses industries.
Micrographies d'une surface métallique après impact par des particules métalliques. Des cratères se forment en raison de la fonte de la surface due à l'impact. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Bien que de tels procédés soient largement utilisés, jusqu'à présent leurs caractéristiques ont été déterminées empiriquement, puisque le processus lui-même est si rapide "vous ne pouvez pas le voir, vous ne pouvez pas dire ce qui se passe, et personne n'a jamais pu observer le moment où une particule heurte et colle, " dit Schuh. En conséquence, il y a eu une controverse en cours quant à savoir si les particules métalliques fondent réellement lorsqu'elles frappent la surface à revêtir. La nouvelle technologie signifie que maintenant les chercheurs "peuvent observer ce qui se passe, peut l'étudier, et peut faire de la science, " il dit.
Les nouvelles images montrent clairement que dans certaines conditions, les particules de métal pulvérisées sur une surface font vraiment fondre la surface - et cela, de façon inattendue, les empêche de coller. Les chercheurs ont découvert que les particules rebondissent en beaucoup moins de temps qu'il n'en faut pour que la surface se resolidifie, ils quittent donc la surface encore fondue.
Si les ingénieurs constatent qu'un matériau de revêtement n'adhère pas bien, ils peuvent être inclinés pour augmenter la vitesse ou la température de pulvérisation afin d'augmenter les chances de fusion. Cependant, les nouveaux résultats montrent le contraire :la fonte doit être évitée.
Il s'avère que la meilleure liaison se produit lorsque les particules d'impact et les surfaces impactées restent à l'état solide mais « éclaboussent » vers l'extérieur d'une manière qui ressemble à un liquide. C'était "une observation révélatrice, " selon Schuh. Ce phénomène " se retrouve dans une variété de ces méthodes de traitement des métaux, " dit-il. Maintenant, il est clair que "pour coller du métal sur du métal, nous devons faire une éclaboussure sans liquide. Une éclaboussure solide colle, et un liquide ne le fait pas." Avec la nouvelle capacité d'observer le processus, Hassani-Gangaraj dit, "par des mesures précises, nous pourrions trouver les conditions nécessaires pour induire ce lien."
La rangée supérieure de photos montre une particule qui fait fondre la surface à l'impact et rebondit sans coller. La rangée du bas montre une particule similaire qui ne fond pas et colle à la surface. Les flèches montrent des sprays à impact qui ressemblent à du liquide, mais sont en fait des particules solides. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Les résultats pourraient être pertinents pour les processus utilisés pour revêtir les composants du moteur afin de réutiliser les pièces usées plutôt que de les reléguer à la poubelle. "Avec un vieux moteur d'un gros engin de terrassement, ça coûte une fortune de le jeter, et il en coûte une fortune pour le fondre et le refondre, " dit Schuh. " Au lieu de cela, vous pouvez le nettoyer et utiliser un processus de pulvérisation pour renouveler la surface. » Mais cela nécessite que le revêtement pulvérisé reste solidement lié.
En plus des revêtements, les nouvelles informations pourraient également aider à la conception de certains systèmes de fabrication additive à base de métaux, connue sous le nom d'impression 3D. Là, comme pour les revêtements, il est essentiel de s'assurer qu'une couche du matériau d'impression adhère solidement à la couche précédente.
"Ce que ce travail promet, c'est une approche précise et mathématique" pour déterminer les conditions optimales pour assurer une liaison solide, dit Schuh. "C'est mathématique plutôt qu'empirique."
