Les scientifiques transforment le désalliage en une conception durable en alliage léger

Les chercheurs de l’Institut Max Planck pour les matériaux durables (MPI-SusMat) ont transformé le désalliage, traditionnellement considéré comme un processus corrosif et destructeur, en une méthode révolutionnaire pour créer des alliages légers et à haute résistance. En combinant désalliage et alliage en une seule étape, l’équipe a développé des alliages martensitiques nanoporeux utilisant des gaz réactifs comme l’ammoniac, qui éliminent simultanément l’oxygène et introduisent de l’azote dans la structure du matériau.

Cette démarche durable, publiée dans Avancées scientifiquespropose une production d’alliages économes en énergie avec des applications potentielles allant des composants légers aux matériaux fonctionnels avancés, tels que des alternatives aux aimants aux terres rares.

L’alliage, l’art de mélanger des métaux avec d’autres éléments, constitue depuis longtemps la pierre angulaire de la science des matériaux et de la métallurgie, créant des matériaux aux propriétés personnalisées. En revanche, le désalliage est principalement connu comme un processus corrosif qui dégrade les matériaux au fil du temps en éliminant sélectivement des éléments, affaiblissant ainsi leur structure. Aujourd’hui, les chercheurs ont transformé ces deux processus apparemment opposés en un concept innovant de synthèse harmonique.

La microstructure des alliages métalliques est définie par la disposition des atomes au sein d’un réseau, leur position et leur composition chimique étant essentielles aux propriétés du matériau. Le désalliage traditionnel élimine naturellement les atomes de ce réseau, provoquant une dégradation. Mais l’équipe MPI-SusMat a posé une question révolutionnaire : et si nous pouvions exploiter le désalliage pour créer des microstructures bénéfiques ?

“Nous visions à utiliser le processus de désalliage pour éliminer l’oxygène de la structure du réseau, en modulant la porosité via la création et l’agglomération de lacunes en oxygène”, explique le Dr Shaolou Wei, chercheur Humboldt au MPI-SusMat et premier auteur de la publication. “Cette méthode ouvre de nouvelles voies pour concevoir des matériaux légers et à haute résistance.”

Au cœur de leur approche se trouve le désalliage réactif en phase vapeur, une technique qui élimine les atomes d’oxygène de la structure du réseau à l’aide d’une atmosphère de gaz réactif. Dans ce processus, l’atmosphère « attire » l’oxygène, l’extrayant sélectivement du réseau hôte. Ainsi, l’atmosphère est constituée d’ammoniac, qui agit à la fois comme réducteur (via sa teneur en hydrogène) et comme donneur d’azote interstitiel, remplissant les espaces vides du réseau pour améliorer les propriétés des matériaux.

“Ce double rôle de l’ammoniac (élimination de l’oxygène et ajout d’azote) constitue une innovation clé dans notre approche, car il attribue à tous les atomes des deux partenaires de réaction des rôles spécifiques”, déclare le professeur Dierk Raabe, directeur général de MPI-SusMat et auteur correspondant de l’étude. .

Quatre processus métallurgiques cruciaux en une seule étape

La percée de l’équipe réside dans l’intégration de quatre processus métallurgiques cruciaux dans une seule étape de réacteur :

1. Désalliage d’oxyde : éliminer l’oxygène du réseau pour créer une porosité excessive tout en réduisant simultanément les minerais métalliques avec de l’hydrogène.
2. Alliage substitutionnel : encourage l’interdiffusion à l’état solide entre les éléments métalliques lors ou après l’élimination complète de l’oxygène.
3. Alliage interstitiel : introduction d’azote à partir de la phase vapeur dans le réseau hôte des métaux gagnés.
4. Transformation de phase : activation de la transformation martensitique induite thermiquement, la voie la plus viable pour la nanostructuration.

Cette stratégie de synthèse simplifie non seulement la production d’alliages, mais offre également une approche durable en utilisant des oxydes comme matières premières et des gaz réactifs tels que l’ammoniac ou même des émissions de déchets issus de processus industriels. Grâce à l’utilisation de l’hydrogène comme agent réducteur et vecteur d’énergie au lieu du carbone, l’ensemble du processus de désalliage-alliage est du CO₂-gratuit et le seul sous-produit est l’eau. La modélisation thermodynamique démontre la faisabilité de cette technique pour des métaux comme le fer, le nickel, le cobalt et le cuivre.

Conception légère et durable grâce à l’ingénierie de la microstructure

Les alliages martensitiques poreux nanostructurés qui en résultent sont plus légers et plus résistants, grâce à un contrôle précis de la microstructure du millimètre jusqu’à l’échelle atomique. Traditionnellement, atteindre une telle porosité nécessitait des processus gourmands en temps et en énergie. En revanche, la nouvelle stratégie accélère la formation de porosité tout en permettant l’introduction simultanée d’éléments interstitiels comme l’azote qui améliorent la résistance et la fonctionnalité du matériau.

Les applications futures pourraient aller des composants structurels légers aux dispositifs fonctionnels tels que les alliages magnétiques durs à base de nitrure de fer, qui pourraient surpasser les aimants de terres rares en termes de performances. Pour l’avenir, les chercheurs envisagent d’élargir leur approche à l’utilisation d’oxydes industriels impurs et de gaz réactifs alternatifs. Cela pourrait révolutionner la production d’alliages en réduisant la dépendance à l’égard des matériaux de terres rares et des matières premières de haute pureté, s’alignant ainsi sur les objectifs mondiaux de durabilité.

Grâce à cette stratégie innovante de désalliage-alliage, l’équipe MPI-SusMat a démontré comment repenser les processus traditionnels peut générer des avancées transformatrices dans la science des matériaux. En combinant durabilité et ingénierie de microstructure de pointe, ils ouvrent la voie à une nouvelle ère de conception d’alliages.