(Actualités Nanowerk) Des chercheurs de l'Université du Massachusetts Amherst et du Georgia Institute of Technology ont imprimé en 3D un alliage nanostructuré à haute entropie biphasé qui dépasse la résistance et la ductilité d'autres matériaux de pointe fabriqués de manière additive, ce qui pourrait conduire à des composants plus performants pour des applications dans l’aérospatiale, la médecine, l’énergie et les transports. Les travaux, dirigés par Wen Chen, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à l'UMass, et Ting Zhu, professeur de génie mécanique à Georgia Tech, sont publiés par la revue Nature (« Alliages nanolamellaires à haute entropie, solides mais ductiles, issus de la fabrication additive »). Wen Chen, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à l'UMass Amherst, se tient devant des images de composants en alliage à haute entropie imprimés en 3D (ventilateur du dissipateur thermique et réseau octect, à gauche) et une carte transversale de figures à pôles inverses de diffraction de rétrodiffusion d'électrons démontrant une microstructure de nanolamelles orientée de manière aléatoire (à droite). (Image : UMass Amherst) Au cours des 15 dernières années, les alliages à haute entropie (HEA) sont devenus de plus en plus populaires en tant que nouveau paradigme de la science des matériaux. Composés de cinq éléments ou plus dans des proportions presque égales, ils offrent la possibilité de créer un nombre quasi infini de combinaisons uniques pour la conception d'alliages. Les alliages traditionnels, tels que le laiton, l'acier au carbone, l'acier inoxydable et le bronze, contiennent un élément primaire associé à un ou plusieurs oligo-éléments. La fabrication additive, également appelée impression 3D, est récemment apparue comme une approche puissante du développement de matériaux. L’impression 3D laser peut produire des gradients de température importants et des vitesses de refroidissement élevées qui ne sont pas facilement accessibles par les voies conventionnelles. Cependant, « le potentiel d’exploitation des avantages combinés de la fabrication additive et des HEA pour obtenir de nouvelles propriétés reste largement inexploré », explique Zhu. Chen et son équipe du laboratoire de matériaux et de fabrication multi-échelles ont combiné une HEA avec une technique d'impression 3D de pointe appelée fusion laser sur lit de poudre pour développer de nouveaux matériaux aux propriétés sans précédent. Étant donné que le processus provoque la fusion et la solidification des matériaux très rapidement par rapport à la métallurgie traditionnelle, « vous obtenez une microstructure très différente, loin de l'équilibre » sur les composants créés, explique Chen. Cette microstructure ressemble à un filet et est constituée de couches alternées connues sous le nom de structures nanolamellaires cubiques à face centrée (FCC) et cubiques centrées sur le corps (BCC), intégrées dans des colonies eutectiques à microéchelle avec des orientations aléatoires. Le HEA nanostructuré hiérarchique permet une déformation coopérative des deux phases. "Le réarrangement atomique de cette microstructure inhabituelle donne lieu à une résistance ultra élevée ainsi qu'à une ductilité améliorée, ce qui est rare, car les matériaux généralement solides ont tendance à être fragiles", explique Chen. Par rapport au moulage de métal conventionnel, « nous avons obtenu une résistance presque triple et non seulement nous n'avons pas perdu de ductilité, mais nous l'avons en fait augmentée simultanément », dit-il. « Pour de nombreuses applications, une combinaison de résistance et de ductilité est essentielle. Nos découvertes sont originales et passionnantes tant pour la science des matériaux que pour l’ingénierie. "La capacité de produire des HEA solides et ductiles signifie que ces matériaux imprimés en 3D sont plus robustes pour résister à la déformation appliquée, ce qui est important pour la conception structurelle légère pour une efficacité mécanique améliorée et des économies d'énergie", explique Jie Ren, Ph.D. de Chen. étudiant et premier auteur de l’article. Le groupe de Zhu à Georgia Tech a dirigé la modélisation informatique de la recherche. Il a développé des modèles informatiques de plasticité cristalline à double phase pour comprendre les rôles mécanistes joués par les nanolamelles FCC et BCC et comment elles fonctionnent ensemble pour donner au matériau une résistance et une ductilité supplémentaires. « Nos résultats de simulation montrent les réponses étonnamment élevées de résistance et de durcissement des nanolamelles BCC, qui sont essentielles pour obtenir la synergie résistance-ductilité exceptionnelle de notre alliage. Cette compréhension mécanistique constitue une base importante pour orienter le développement futur de HEA imprimés en 3D dotés de propriétés mécaniques exceptionnelles », explique Zhu. De plus, l’impression 3D offre un outil puissant pour réaliser des pièces géométriquement complexes et personnalisées. À l’avenir, l’exploitation de la technologie d’impression 3D et du vaste espace de conception d’alliages des HEA ouvre de nombreuses opportunités pour la production directe de composants finaux pour les applications biomédicales et aérospatiales.