Les moteurs à réaction sont impitoyables. Ils exigent des matériaux qui supportent la chaleur et la force sans se plier, se fissurer, perdre leur forme ou se déformer lentement sous contrainte.
Le piège ? Les candidats les plus forts sont souvent trop fragiles.
Les ingénieurs de l’Université Purdue viennent de contester cette règle. Ils ont repensé le cobalt-aluminium (CoAl) à l’échelle nanométrique. Le résultat est un nanolaminé de cobalt et d’aluminium jusqu’à 10 fois plus résistant que l’acier de construction à haute résistance.
Et ça ne se brise pas comme le verre.
Publiée dans Science Advances, cette découverte offre une nouvelle voie pour rendre les intermétalliques notoirement fragiles utilisables dans l’aérospatiale et la défense.
La nature fragile des intermétalliques
Les composés intermétalliques contiennent deux métaux ou plus disposés dans un réseau cristallin hautement ordonné. Cet ordre crée de la force. Cela crée également des points de fusion élevés et une résistance au fluage, la lente déformation sous contrainte à long terme.
Ces caractéristiques sont parfaites pour les moteurs à réaction, les turbines à gaz et les systèmes énergétiques. Mais c’est la même rigidité atomique qui pose problème.
La plupart des intermétalliques ne peuvent pas se plier. Au lieu de cela, ils se fracturent. Cela est particulièrement vrai à température ambiante.
“Entre autres applications, ils pourraient potentiellement être appliqués aux aubes de turbine de nouvelle génération pour les moteurs d’avion… Des alliages à haute résistance et plastiquement déformables pourraient permettre à un moteur de tourner plus rapidement tout en supportant des forces centrifuges plus élevées.” —Xinghang Zhang
CoAl illustre ce dilemme. Il est suffisamment solide pour les composants exigeants. Mais sa fragilité rend la fabrication de formes complexes presque impossible et le rend vulnérable à des contraintes mécaniques soudaines.
Défauts d’ingénierie intentionnels
Pour remédier à la fragilité, on pense généralement à réduire les défauts. Ici, les chercheurs ont fait le contraire.
Dans un cristal parfait, les atomes suivent un motif géométrique strict. Une luxation – une perturbation microscopique – est normalement considérée comme un défaut. Mais dans les métaux, les dislocations permettent aux atomes de glisser les uns sur les autres. Cela permet au matériau de changer de forme sans se casser.
CoAl manque de dislocations mobiles à température ambiante. Les tentatives précédentes visant à améliorer sa plasticité en modifiant la composition ou en mélangeant des matériaux n’ont pas donné de résultats significatifs.
L’équipe Purdue a emprunté un chemin différent.
Ils ont intégré les dislocations directement dans le matériau lors de la formation. Ils ont également créé un réseau d’« interfaces amorphes ». Ce sont des frontières minces où les atomes ne disposent pas de la disposition ordonnée que l’on trouve dans un cristal.
Pourquoi les interfaces amorphes sont importantes
Ces limites flexibles font plus que séparer des couches de CoAl.
Lors de la déformation, des parties de ces interfaces amorphes cristallisent partiellement. Ce processus déclenche la création de nouvelles dislocations. Ces dislocations donnent aux couches de CoAl environnantes davantage de moyens d’absorber l’impact.
“Nous avons conçu le cadre d’interfaces amorphes… des limites flexibles dans les matériaux pour une flexibilité structurelle… qui favorisent la nucléation des dislocations.” —Xinghang Zhang
Ke Xu, le premier auteur de l’étude, note que cette approche offre une alternative pour améliorer les capacités de déformation plastique du CoAl. Les interfaces agissent comme des sources actives de plasticité. Ils aident le matériau à réagir au stress plutôt que de simplement se fissurer.
Limite d’élasticité par rapport à l’acier de construction
Les chiffres sont stupéfiants.
Le nanolaminé a atteint une limite d’élasticité de 6 GPa (gigapascals). Pour mettre cela en perspective, l’acier de construction à haute résistance se situe généralement entre 0,4 GPa et 0,5 GPa. Ce nouvel alliage est environ 6 à 10 fois plus résistant.
La limite d’élasticité mesure la contrainte qu’un matériau peut supporter avant de se déformer de façon permanente.
Pourtant, malgré cette résistance extrême, le nanolaminé CoAl a subi une déformation plastique de 15 % sous compression à température ambiante. Il peut subir des déformations permanentes importantes. Il ne se fracture pas immédiatement.
“Cette combinaison d’une résistance mécanique ultra-élevée et d’une plasticité exceptionnelle fait du système actuel de nanolaminés de CoAl l’un des meilleurs systèmes intermétalliques rapportés à ce jour.” -Ke Xu
Création du matériau à partir de vapeur
Comment fais-tu ça ? Le moulage traditionnel fait fondre le métal et le laisse se solidifier. Cela ne fonctionnera pas ici.
L’équipe a utilisé le dépôt par pulvérisation magnétron.
Les atomes sont libérés d’un matériau source sous forme de vapeur. Ils se déposent sous forme d’un film mince sur une autre surface. Cette approche « hors équilibre » permet au matériau de se former directement à partir de vapeur.
Cette méthode piège un grand nombre de dislocations au sein du CoAl. Cela crée également ces limites critiques aluminium-cobalt amorphes. Le casting traditionnel ne peut pas réaliser cette combinaison spécifique de fonctionnalités.
Observer la déformation en temps réel
La théorie est utile. La preuve nécessite l’observation.
Les chercheurs ont compressé le matériau à l’intérieur d’un microscope électronique à balayage. Ces tests in situ leur ont permis d’observer les changements microscopiques à mesure que le CoAl se déformait.
Des simulations ont sauvegardé les visuels. Anand Mathew, professeur à l’Université de Houston, Yashashree Kulkarni, étudiant, a exécuté des modèles de dynamique moléculaire. Les données ont montré les interfaces amorphes cristallisant sous pression. Cela a libéré des dislocations dans les couches adjacentes de CoAl.
Les expériences ont confirmé ce que suggéraient les simulations : ces interfaces contribuent activement à la déformation plastique. Ils renforcent la capacité du matériau à résister aux contraintes sans sacrifier sa résistance inhérente.
Au-delà de l’échelle nanométrique
Actuellement, ce nanolaminé CoAl est un système à couches minces. Il ne s’agit pas encore d’une aube de turbine massive.
La prochaine étape est la mise à l’échelle. Les chercheurs visent à transférer ce concept structurel à des nanocomposites de CoAl plus grands, capables d’une fabrication industrielle.
Ils prévoient également de tester le concept de « cadre d’interfaces amorphes » sur d’autres intermétalliques. S’il résiste à différents composés, il fournit une stratégie généralisable pour améliorer la plasticité de toute cette classe de métaux.
“Les intermétalliques ductiles renforcent considérablement nos capacités de conception de matériaux avancés pour les applications de l’aérospatiale, de l’énergie et de la défense.” —Xinghang Zhang
Au lieu de forcer un choix entre résistance et déformabilité, les ingénieurs pourraient bientôt être en mesure de concevoir les deux. En contrôlant où se forment les défauts et comment les limites réagissent, nous pourrions enfin débloquer des métaux auparavant jugés inutilisables.
Référence :
“La plasticité des intermétalliques fragiles rendue possible par le cadre d’interfaces amorphes et de dislocations préexistantes” par Ke Xu, Anand Matheth, Zhongxia Shang, Debarga Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashase Kulkarni et Xinghng Zhang, 17 juin 26, Science Advances.
DOI : 10.112/sciadv.ab0076
Financement fourni par le programme Métaux et nanostructures métalliques de la National Science Foundation.
