Bien avant de savoir qu'ils le faisaient - dès le premier moteur d'avion des frères Wright - les métallurgistes incorporaient des nanoparticules dans l'aluminium pour fabriquer un solide, dur, alliage résistant à la chaleur. Le processus est appelé précipitation à l'état solide, dans lequel, après que la masse fondue a été rapidement refroidie, les atomes de métaux d'alliage migrent à travers une matrice solide et se rassemblent en particules dispersées mesurées en milliardièmes de mètre, seulement quelques dizaines d'atomes de large.

La clé de la résistance de ces alliages durcis par précipitation est la taille, forme, et l'uniformité des nanoparticules et leur stabilité lorsqu'elles sont chauffées. Un alliage avec une combinaison très réussie de propriétés est une formulation particulière d'aluminium, scande, et lithium, dont les précipités sont tous à peu près de la même taille. Il a été fabriqué pour la première fois au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie en 2006 par une équipe dirigée par Velimir Radmilović et Ulrich Dahmen de la division des sciences des matériaux.

Ces scientifiques et leurs collègues ont maintenant combiné des observations à l'échelle atomique avec le puissant microscope TEAM du Centre national de microscopie électronique (NCEM) de Berkeley Lab avec la tomographie à sonde atomique et d'autres techniques expérimentales, et avec des calculs théoriques, pour révéler comment des nanoparticules constituées de noyaux riches en scandium et entourées de coques riches en lithium peuvent se disperser dans des tailles remarquablement uniformes dans une matrice en aluminium pur.

"Avec le microscope TEAM, nous avons pu étudier la structure cœur-coquille de ces nanoprécipités et comment ils forment des sphères qui ont presque le même diamètre, " dit Dahmen, le directeur du NCEM et auteur du Matériaux naturels document décrivant les nouvelles études. "Quoi de plus, ces particules ne changent pas de taille avec le temps, comme le font la plupart des précipités. Typiquement, les petites particules deviennent plus petites et les grosses particules deviennent plus grosses, un processus appelé mûrissement ou grossissement, ce qui finit par fragiliser les alliages. Mais ces nanoprécipités uniformes à noyau-enveloppe résistent au changement."

Evolution d'un alliage

Dans le système aluminium-scandium-lithium, les chercheurs ont découvert que, après la fusion initiale, un simple processus de chauffage en deux étapes crée d'abord les noyaux riches en scandium, puis les enveloppes riches en lithium des particules sphériques. Les sphères limitent leur croissance pour atteindre les mêmes dimensions extérieures, donnant un poids léger, potentiellement résistant à la chaleur et à la corrosion, alliage ultra-résistant.

"Le scandium est le renforçateur le plus puissant pour l'aluminium, " dit Radmilović du NCEM, qui est également professeur de métallurgie à l'Université de Belgrade, Serbie, et auteur du Matériaux naturels papier. "L'ajout de moins d'un pour cent de scandium peut faire une différence considérable dans la résistance mécanique, résistance à la rupture, résistance à la corrosion - toutes sortes de propriétés." Parce que le scandium diffuse très lentement à travers la matrice en aluminium solide, le mélange solide doit être chauffé à une température élevée (sans fondre) avant que le scandium ne précipite.

Le lithium est le plus léger de tous les métaux (seuls l'hydrogène et l'hélium sont plus légers) et apporte non seulement de la légèreté à un alliage d'aluminium mais, potentiellement, la force aussi. Le lithium diffuse beaucoup plus rapidement que le scandium, à une température beaucoup plus basse.

"Le problème est que, par lui-même, le lithium peut ne pas tenir ses promesses, " dit Dahmen, un collaborateur de longue date de Radmilovic. "L'astuce est de convaincre le lithium de prendre une structure cristalline utile, à savoir L1 2 ."

La L1 2 la maille unitaire ressemble à une maille cubique à faces centrées, parmi les structures cristallines les plus simples et les plus symétriques. Les atomes occupent chaque coin d'un cube imaginaire et sont centrés sur les six faces du cube; en L1 2 structure, les types d'atomes aux coins peuvent différer de ceux au centre des faces. Pour les inclusions d'alliage, c'est l'une des structures les plus solides et les plus stables car, comme l'explique Dahmen, "une fois les atomes en place dans L1 2 , c'est difficile pour eux de bouger."

Dahmen attribue à Radmilović "l'intuition" d'allier à la fois le scandium et le lithium avec de l'aluminium, chauffer et refroidir le matériau en une série d'étapes spécifiques. Cette intuition était basée sur la longue expérience de Radmilov avec les propriétés séparées des alliages aluminium-lithium et aluminium-scandium et une compréhension approfondie de la manière dont ils étaient susceptibles d'interagir. Il a élaboré une recette pour les proportions d'ingrédients dans la fonte initiale et comment les refroidir et les réchauffer.

La clé du processus était d'utiliser le lithium comme une sorte de catalyseur pour forcer une « explosion de nucléation » dans le scandium. Une fois les trois métaux mélangés, fondu, et rapidement refroidi ou trempé, le lithium sert à réduire le chauffage nécessaire pour amadouer le scandium à former des structures de noyau denses - bien que le mélange solide doive encore être chauffé à 450 degrés Celsius (842 Fahrenheit) pendant 18 heures pour former ces noyaux, en aluminium, lithium, et scandium. Les noyaux mesurent en moyenne un peu plus de neuf nanomètres de diamètre mais ne sont pas de taille uniforme.

Ensuite, l'alliage est à nouveau chauffé, cette fois à 190˚ Celsius (374˚ F) pendant quatre heures. A plus basse température, le scandium est immobile; le lithium en mouvement libre forme une enveloppe autour des noyaux riches en scandium, tout comme l'eau d'un nuage se cristallise autour d'un grain de poussière pour former un flocon de neige. Les coquilles ont une épaisseur moyenne d'environ 10,5 nanomètres, mais leur épaisseur n'est pas uniforme.

Ce qui est remarquable, bien que, c'est que lorsqu'un noyau est plus épais que la moyenne, la coque est plus fine que la moyenne, et vice versa :plus le noyau est petit, plus la coquille grandit vite. La taille du noyau et la taille de la coque sont « anticorrélées » et le résultat est « axé sur la taille ». Des sphères entières varient encore quelque peu, mais les différences sont bien moindres qu'entre les noyaux seuls ou les coques seules.

La structure des noyaux et coques noyés dans l'aluminium semble tout aussi remarquable. L'aluminium pur lui-même a une structure cubique centrée, et cette structure est parfaitement répétée par le L1 2 structure des noyaux et des coques, parfaitement joint sans dislocations aux interfaces entre le noyau, coquille, et matrice.

Dahmen dit, "Ce sont les noyaux riches en scandium qui convainquent le lithium d'affronter l'utile L1 2 structure."

Joindre l'expérience à la théorie

En utilisant le microscope TEAM et une technique d'imagerie spéciale pour observer le sommet des rangées régulières de colonnes d'atomes, la L1 2 la structure se révèle en groupes de carrés imbriqués, avec quatre colonnes d'atomes aux coins et cinq colonnes d'atomes aux centres alignés des faces.

En aluminium pur, tous les points ont la même luminosité. Dans les coquilles et les noyaux, cependant, les colonnes d'angle et les colonnes centrées sur la face diffèrent en contraste - les colonnes centrées sur la face sont en aluminium pur mais les colonnes d'angle sont mélangées. En complétant les images TEAM à haute résolution avec des données provenant d'autres techniques expérimentales, il a été possible d'utiliser la luminosité et le contraste pour calculer les types d'atomes dans chaque colonne.

En utilisant les calculs des premiers principes, les membres de l'équipe Colin Ophus et Mark Asta ont pu modéliser l'effet du lithium sur la précipitation à l'état solide du scandium, stimuler une explosion soudaine de nucléation, et aussi de comprendre pourquoi, en raison des propriétés thermodynamiques des deux métaux interagissant avec l'aluminium et entre eux, les précipités sont donc uniformes et stables.

Radmilović dit, "Colin et Mark ont ​​montré que le lithium et le scandium s'aiment. Ils ont également montré qu'en utilisant les colonnes en aluminium comme standard, on peut calculer l'intensité du scandium et du lithium par l'éclat du spot." Dans les coquillages, les colonnes d'angle contiennent de l'aluminium et environ 10 pour cent de lithium. Dans les noyaux, les colonnes d'angle contiennent les trois métaux.

Dahmen dit, "Ces dernières années, il y a eu une augmentation rapide de l'utilisation de la" microscopie intégrative " - en utilisant une variété de techniques telles que l'imagerie à champ sombre annulaire à angle élevé, contraste de phase haute résolution, et l'imagerie et la spectroscopie à filtrage d'énergie pour s'attaquer à un seul problème. Le microscope TEAM, qui est corrigé à la fois pour l'aberration chromatique et sphérique, est unique dans sa capacité à faire toutes ces techniques avec une haute résolution. Comprendre pourquoi les nanoinclusions dans l'aluminium-scandium-lithium sont uniformes est l'un des meilleurs exemples de la nécessité d'utiliser la microscopie intégrative."

Un alliage aussi bon que l'aluminium-scandium-lithium est, son utilisation peut être limitée par le coût du rare scandium, actuellement dix fois le prix de l'or. En comprenant comment l'alliage atteint ses caractéristiques remarquables, les chercheurs s'attendent à ce que d'autres systèmes avec des précipités cœur-écorce puissent être contrôlés par les mêmes mécanismes, conduisant à de nouveaux types d'alliages avec une gamme de propriétés souhaitables.