Première visualisation 3D d’un nanocomposite d’aluminium pour l’industrie automobile
Crédit: Acta Materialia (2024). DOI : 10.1016/j.actamat.2024.120189
La fabrication de voitures avec des alliages d’aluminium résistants et légers plutôt qu’en acier pourrait améliorer le rendement énergétique et prolonger l’autonomie des véhicules électriques, mais l’instabilité du matériau à haute température a empêché l’adoption généralisée de ces alliages.
La création de minuscules particules de carbure de titane (TiC) renforçantes directement à l’intérieur de l’aluminium en fusion donne un matériau à base d’aluminium plus solide et plus résistant à la température, appelé nanocomposite à matrice métallique.
Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas compris comment ces nanoparticules se forment, ni comment elles interagissent avec d’autres éléments de la microstructure, ce qui entrave la production du matériau à l’échelle industrielle.
Des chercheurs de l’Université du Michigan ont utilisé une technique unique de rayons X 3D à haute résolution pour fournir un premier aperçu de la manière dont les nanoparticules se forment, où elles se trouvent et comment elles facilitent la solidification ultérieure du métal en fusion. Un article sur ces travaux sera publié dans l’édition de septembre de Acta Materialia.
« La plupart des métaux commencent leur vie à l’état liquide. La façon dont ils passent de l’état liquide à l’état solide déterminera en fin de compte leurs microstructures et, par conséquent, leurs propriétés et leurs applications », a déclaré Ashwin Shahani, professeur associé de science et d’ingénierie des matériaux et de génie chimique à l’UM et co-auteur correspondant de l’étude.
« L’étude nous a permis de comprendre exactement comment les nanoparticules interagissent avec les phases secondaires lors de la coulée, ce qui a été un défi majeur au cours du dernier demi-siècle. »
Les nanoparticules mesurant moins de 100 nanomètres, soit un dix millième de millimètre, les chercheurs ont utilisé une puissante technique d’imagerie appelée nanotomographie à rayons X basée sur le synchrotron pour visualiser la microstructure métallique de manière non destructive en 3D, un exploit impossible avec les approches d’imagerie conventionnelles.
Pour obtenir ces visualisations, les chercheurs ont créé un composite d’aluminium renforcé avec du carbure de titane (TiC). Cela impliquait une réaction assistée par flux dans laquelle un mélange de poudre de carbone et de sel contenant du titane réagissait avec une masse fondue d’aluminium.
Les reconstructions 3D ont révélé une diversité inattendue d’aluminure de titane (Al3Ti) structures intermétalliques, dont une qui s’est formée directement sur des nanoparticules de TiC de plus de 200 nm de diamètre. Dans ce cas, l’Al3Les cristaux de Ti se sont développés en une structure de plaque orthogonale inhabituelle. Pendant ce temps, les nanoparticules de TiC plus petites que le seuil de 200 nanomètres ont divisé l’Al3Plaques intermétalliques de Ti lors de la solidification, formant des structures ramifiées.
En plus de l’imagerie, les chercheurs ont utilisé des simulations de champ de phase pour combler les « lacunes » spatiotemporelles dans les expériences et proposer un mécanisme de formation de microstructure.
« Nous avons maintenant la preuve que les nanoparticules se forment bien avant les intermétalliques, et non l’inverse, ce qui a des implications importantes concernant la nucléation des nanoparticules en premier lieu », a déclaré Shahani.
Avec ces résultats en main, les partenaires industriels peuvent désormais guider TiC et Al3Formation de Ti lors de la fabrication de composites d’aluminium à grande échelle : ajustement des voies de solidification ou des compositions chimiques des alliages pour obtenir la microstructure souhaitée et ses propriétés associées.
« Nous savons depuis longtemps que les particules de taille nanométrique pourraient améliorer les performances des composites à matrice métallique, mais ces matériaux ne peuvent pas être produits à grande échelle. Nous comprenons désormais les mécanismes de formation qui permettront à nos partenaires industriels d’optimiser le processus pour les applications d’allègement », a déclaré Alan Taub, professeur d’ingénierie Robert H. Lurie et directeur du Centre des véhicules électriques de l’UM et co-auteur correspondant de l’étude.
Plus d’information:
Aaron Gladstein et al., Preuve directe des mécanismes de formation des nanoparticules de TiC et d’Al3Intermétalliques de Ti lors de la synthèse d’un nanocomposite à matrice métallique Al/TiC, Acta Materialia (2024). DOI : 10.1016/j.actamat.2024.120189
Fourni par l’Université du Michigan
Citation: Première visualisation 3D d’un nanocomposite d’aluminium pour l’industrie automobile (2024, 2 août) récupéré le 2 août 2024 à partir de
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