Dans une avancée qui pourrait conduire à une fabrication améliorée, une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'UCLA montre que l'ajout de nanoparticules aux métaux pendant le processus de fusion permet un meilleur contrôle lors de la fusion.

La fusion et la solidification des métaux sont des processus importants dans la fabrication, utilisé dans le soudage et aussi l'impression 3D. Par exemple, le soudage au laser a été utilisé pour construire des voitures et des navires pendant des décennies. Cependant, les chercheurs suggèrent que l'amélioration des processus de fusion/solidification pourrait avoir des avantages financiers résultant d'une efficacité et d'une fiabilité accrues.

Il y a deux "zones" importantes dans un métal pendant la fusion. La première est la "zone de fusion, " où le métal se transforme en liquide, ce qui lui permet d'être étalé et façonné à volonté. La seconde est la "zone affectée par la chaleur". Dans cette zone adjacente, le métal n'est pas fondu, mais sa microstructure pourrait se détériorer à cause de la chaleur.

Plus une zone de fusion est grande, plus la zone affectée thermiquement à proximité est grande. Cependant, pour la fabrication, l'effet inverse est en fait recherché. Une zone de fusion profonde et maximisée couplée à une zone affectée thermiquement minimale correspondante permettrait une région fondue de haute qualité, tout en réduisant la sensibilité aux défauts potentiels dans la zone adjacente.

L'équipe, dirigé par Xiaochun Li, professeur de génie mécanique et aérospatial à la UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, a montré qu'en ajoutant des particules nanométriques d'oxyde d'aluminium lors d'une fusion ultérieure du nickel, ils pourraient augmenter la profondeur de la zone de fusion du métal de 68 pour cent, tout en diminuant la zone affectée par la chaleur de 67 pour cent. L'ajout de nanoparticules de carbure de silicium a donné des résultats similaires. La recherche a été publiée aujourd'hui dans Communication Nature .

"Notre découverte de la fusion et de la solidification inhabituelles de matériaux contenant des nanoparticules n'aura pas seulement des impacts immédiats sur les processus de fabrication de fusion et de solidification existants, mais aussi sur d'autres applications, tels que le traitement pharmaceutique et le stockage d'énergie, ", a déclaré Li, titulaire de la chaire Raytheon en ingénierie de fabrication.

Les nanoparticules ajoutées réduisent la dissipation de chaleur pendant le processus de fusion, Li a dit, faire une zone fondue plus profonde, tandis que la zone affectée par la chaleur est moins profonde.

Il existe deux mécanismes physiques qui font fonctionner leur processus assisté par nanoparticules, dit Li. D'abord, les nanoparticules réduisent la conductivité thermique, diminuant ainsi le transfert de chaleur par conduction vers le reste du matériau - essentiellement, ils emprisonnent plus de chaleur.

Seconde, les nanoparticules augmentent la viscosité dans la zone fondue, qui supprime ce qu'on appelle le flux thermocapillaire. Cela ralentit également le transfert de chaleur depuis l'intérieur de la zone fondue.

Li a ajouté que le contrôle des microstructures par les nanoparticules aura un impact sur diverses technologies de traitement existantes, telles que le soudage et l'impression 3D, où la détérioration des microstructures et des propriétés des matériaux de la zone affectée thermiquement est un problème sérieux qui limite les performances des composants.

"Par exemple, cela pourrait être utilisé pour améliorer la fabrication de poids léger, pièces hautes performances, tels que les ailes d'avion et les pales d'éoliennes, ou fabriquer des composants de précision comme des engrenages mécaniques, " dit Li.