Les alliages intermétalliques ont potentiellement une résistance élevée dans un environnement à haute température. Mais ils souffrent généralement d'une mauvaise ductilité aux températures ambiantes et basses, limitant ainsi leurs applications dans l'aérospatiale et d'autres domaines de l'ingénierie. Encore, une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la City University of Hong Kong (CityU) a récemment découvert les couches nanométriques désordonnées aux joints de grains dans les alliages intermétalliques ordonnés. Les nanocouches peuvent non seulement résoudre efficacement le conflit inconciliable entre résistance et ductilité, mais aussi maintenir la résistance de l'alliage avec une excellente stabilité thermique à haute température. La conception de nanocouches similaires peut ouvrir une voie pour la conception de nouveaux matériaux structurels avec des propriétés d'alliage optimales.

Cette recherche a été dirigée par le professeur Liu Chain-tsuan, Professeur distingué de l'Université de CityU et chercheur principal de l'Institut d'études avancées de Hong Kong (HKIAS). Les résultats viennent d'être publiés dans la prestigieuse revue scientifique Science , intitulé « Alliages à très haute résistance et super-réseaux ductiles avec des interfaces désordonnées à l'échelle nanométrique ».

Tout comme les métaux, la structure interne des alliages intermétalliques est constituée de zones cristallines individuelles appelées "grains". La fragilité habituelle des alliages intermétalliques est généralement attribuée à la fissuration le long de leurs joints de grains lors de la déformation en traction. L'ajout de l'élément bore aux alliages intermétalliques a été l'une des approches traditionnelles pour surmonter la fragilité. Le professeur Liu était en fait l'un de ceux qui ont étudié cette approche il y a 30 ans. À ce moment-là, il a constaté que l'addition de bore aux alliages intermétalliques binaires (constituant deux éléments, comme Ni 3 Al) améliore la cohésion des joints de grains, améliorant ainsi leur ductilité globale.

Un résultat expérimental surprenant

Dans les années récentes, Le professeur Liu a réalisé de nombreuses avancées dans le développement d'alliages intermétalliques en vrac (l'alliage intermétallique est également appelé alliage de super-réseau, construit avec une longue portée, structure ordonnée atomiquement compacte). Ces matériaux avec de bonnes résistances sont très attractifs pour les applications structurelles à haute température, mais souffrent généralement d'une grande fragilité à température ambiante, ainsi qu'un grossissement rapide des grains (c'est-à-dire une croissance de la taille des grains) et un ramollissement à haute température. Alors cette fois, Le professeur Liu et son équipe ont développé la nouvelle stratégie de "désordre interfacial à l'échelle nanométrique" dans les alliages intermétalliques multi-éléments, qui permet la haute résistance, grande ductilité à température ambiante et également une excellente stabilité thermique à des températures élevées.

"Ce que nous avons initialement essayé de faire, c'est d'améliorer la cohésion des joints de grains en optimisant la quantité de bore, " a déclaré le Dr Yang Tao, chercheur postdoctoral au Département de génie mécanique (MNE) de CityU et à l'IAS, qui est également l'un des co-premiers auteurs de l'article. "Nous nous attendions à ce que, à mesure que nous augmentions la quantité de bore, l'alliage conserverait une résistance ultra-élevée en raison de ses constituants multi-éléments."

Selon la sagesse conventionnelle, l'ajout de traces (0,1 à 0,5 pour cent atomique (at. %)) de bore améliore considérablement leur ductilité à la traction en augmentant la cohésion entre les grains. Lorsque des quantités excessives de bore ont été ajoutées, cette approche traditionnelle ne fonctionnerait pas. « Mais lorsque nous avons ajouté des quantités excessives de bore aux alliages intermétalliques à plusieurs composants actuels, nous avons obtenu des résultats complètement différents. À un moment donné, je me suis demandé si quelque chose s'était mal passé pendant les expériences, " se souvient le Dr Yang.

A la surprise de l'équipe, lors de l'augmentation du bore jusqu'à 1,5 à 2,5 at. %, ces alliages dopés au bore sont devenus très résistants mais très ductiles. Les résultats de l'expérience ont révélé que les alliages intermétalliques avec 2 at. % de bore ont une limite d'élasticité ultra-élevée de 1,6 gigapascals avec une ductilité à la traction de 25 % à température ambiante.

En étudiant par différentes microscopies électroniques à transmission, l'équipe a découvert que lorsque la concentration de bore variait de 1,5 à 2,5 at. %, une nanocouche distinctive a été formée entre les grains ordonnés adjacents. Chacun des grains a été encapsulé dans cette nanocouche ultrafine d'environ 5 nm d'épaisseur. Et la nanocouche elle-même a une structure atomique désordonnée. "Ce phénomène spécial n'avait jamais été découvert et signalé auparavant, " a déclaré le professeur Liu.

Leurs tests de traction ont montré que la nanocouche sert de zone tampon entre les grains adjacents, qui permet la déformation plastique aux joints de grains, résultant en une grande ductilité à la traction à un niveau de limite d'élasticité ultra-élevé.

Pourquoi la nanocouche désordonnée se forme-t-elle ?

L'équipe a découvert que l'augmentation supplémentaire du bore a considérablement amélioré la "co-ségrégation multi-éléments" - la partition de plusieurs éléments le long des joints de grains. Avec la tomographie avancée par sonde atomique en trois dimensions (3-D APT) à CityU, unique en son genre à Hong Kong et dans le sud de la Chine, ils ont observé une forte concentration de bore, des atomes de fer et de cobalt dans les nanocouches. En revanche, le nickel, l'aluminium et le titane y étaient en grande partie épuisés. Ce partitionnement élémentaire unique, par conséquent, induit le désordre à l'échelle nanométrique au sein de la nanocouche qui supprime efficacement les fractures le long des joints de grains et améliore la ductilité.

De plus, lors de l'évaluation de la réponse thermique de l'alliage, l'équipe a découvert que l'augmentation de la taille des grains était négligeable même après 120 heures de recuit à une température élevée de 1050 °C. Cela a de nouveau surpris l'équipe car la plupart des matériaux de structure montrent généralement une croissance rapide de la taille des grains à haute température, ce qui entraîne une diminution rapide de la force.

Une nouvelle voie pour développer des matériaux de structure pour des usages à haute température

Ils pensaient que la nanocouche était essentielle pour supprimer la croissance de la taille des grains et maintenir sa résistance à haute température. Et la stabilité thermique de la nanocouche désordonnée rendra ce type d'alliage adapté aux applications structurelles à haute température.

"La découverte de cette nanocouche désordonnée dans l'alliage aura un impact sur le développement de matériaux à haute résistance à l'avenir. En particulier, cette approche peut être appliquée aux matériaux de structure pour des applications à haute température comme l'aérospatiale, automobile, Pouvoir nucléaire, et génie chimique, " a déclaré le professeur Liu.