Les atomes des alliages avancés trouvent leurs voisins préférés lors de la solidification

Une découverte qui a dévoilé la manière surprenante dont les atomes s’organisent et trouvent leurs voisins préférés dans les alliages à éléments principaux multiples (MPEA) pourrait permettre aux ingénieurs de « régler » ces matériaux uniques et utiles pour améliorer les performances dans des applications spécifiques allant des centrales électriques avancées aux technologies aérospatiales, selon les chercheurs qui ont fait cette découverte.

Les alliages MPEA représentent une nouvelle approche de la conception des alliages, qui diffère considérablement des alliages traditionnels qui contiennent généralement un ou deux éléments principaux. Au lieu de cela, les alliages MPEA sont constitués de plusieurs éléments principaux dans des rapports atomiques presque égaux.

Cette stratégie de conception, rapportée pour la première fois en 2004, s’est révélée prometteuse dans la création d’une nouvelle classe de matériaux dotés de propriétés souhaitables pour l’aérospatiale, l’automobile ou des industries similaires, comme le fait d’être très résistant à des températures extrêmes.

« Auparavant, les alliages comme l’acier étaient conçus avec un ou deux éléments principaux et des oligo-éléments pour améliorer les performances », a déclaré Yang Yang, professeur adjoint de sciences de l’ingénierie et de mécanique et d’ingénierie nucléaire à Penn State et co-auteur correspondant de l’étude publiée le 1er août dans Nature Communications« Les MPEA utilisent une méthode différente, où tous les composants sont des éléments principaux. »

L’une des principales lacunes dans la compréhension des MPEA a été la formation et le contrôle de l’ordre à courte portée (SRO), qui fait référence à un arrangement non aléatoire d’atomes sur de courtes distances, généralement de seulement quelques atomes de large.

Les chercheurs ont découvert que le SRO est une caractéristique inhérente aux MPEA, qui se forme pendant le processus de solidification lors de la fabrication de ces matériaux, ce qui implique le durcissement des composants liquides. Au lieu d’être complètement aléatoire, comme l’emplacement des ingrédients dans une soupe de légumes, le SRO présente des atomes regroupés dans un ordre spécifique. Ce regroupement peut affecter les propriétés des MPEA, telles que la résistance ou la conductivité.

« Ces matériaux sont destinés à des applications structurelles où les performances mécaniques sont cruciales, comme dans les réacteurs nucléaires ou les composants aérospatiaux », a déclaré Yang, qui est également affilié au Materials Research Institute.

Les résultats des chercheurs remettent en cause l’idée selon laquelle, si la vitesse de refroidissement pendant la solidification est rapide, les éléments des MPEA s’organisent de manière aléatoire dans le réseau cristallin. Ils remettent également en cause l’idée selon laquelle le SRO se développe principalement pendant le recuit, un processus où le chauffage et le refroidissement progressif améliorent la microstructure du matériau pour améliorer ses propriétés telles que la résistance, la dureté et la ductilité, ou la capacité à être soumis à des contraintes mécaniques sans se briser.

L’équipe a utilisé des techniques avancées de fabrication additive et une méthode améliorée de microscopie électronique semi-quantitative pour étudier le SRO dans les MPEA à base de cobalt/chrome/nickel. Étonnamment, ont-ils déclaré, ils ont découvert que le SRO se forme pendant le processus de solidification, quels que soient les taux de refroidissement ou les traitements thermiques appliqués.

« Nous avons découvert que même à des vitesses de refroidissement extrêmement élevées, jusqu’à 100 milliards de degrés Celsius par seconde, du SRO se forme toujours », a déclaré Penghui Cao, professeur adjoint en génie mécanique et aérospatial et en science et ingénierie des matériaux à l’Université de Californie à Irvine et co-auteur correspondant de l’étude. « Cela contredit les croyances précédentes selon lesquelles le SRO ne se développe que pendant le recuit. »

Cela a été confirmé par des simulations informatiques détaillées, qui ont montré que les atomes s’organisent rapidement lorsque le métal refroidit et se solidifie.

Selon Yang, cette découverte a de profondes implications pour la science des matériaux et l’ingénierie. Le fait de comprendre que le SRO est inhérent et se forme pendant la solidification signifie que les méthodes traditionnelles de traitement thermique ne peuvent pas le contrôler efficacement.

« Nos résultats suggèrent que le SRO est omniprésent dans les MPEA à structure cubique à faces centrées (un type de structure cristalline en forme de cube avec six atomes sur chaque face) et ne peut être évité par des taux de refroidissement typiques réalisables dans les expériences », a déclaré Yang. « Cette constatation peut aider à résoudre un débat de longue date dans le domaine sur le rôle du SRO dans l’amélioration de la résistance mécanique d’un matériau. »

Les chercheurs ont également découvert que la nature omniprésente du SRO leur permettait de « régler » les MPEA pour des propriétés particulières.

« Le contrôle du degré de SRO dans les MPEA peut éventuellement être obtenu par déformation mécanique ou par endommagement par rayonnement », a déclaré M. Cao. « Cela offre une nouvelle dimension pour concevoir les propriétés du matériau via le réglage des mécanismes contrôlés par SRO. »

Selon Yang, l’étude marque une avancée significative dans la compréhension des MPEA et de leurs propriétés inhérentes. En révélant que le SRO est une caractéristique inévitable formée lors de la solidification, la recherche ouvre de nouvelles possibilités pour la conception et l’ingénierie des matériaux.

« Comprendre comment les atomes trouvent leurs voisins, même à des vitesses de refroidissement rapides, nous aide à contrôler la structure et à améliorer les performances de ces matériaux innovants », a déclaré Yang. « Nous en sommes encore au stade de la science fondamentale, et j’ai hâte de voir comment cela se développe. »