Les alliages à haute entropie (HEA) sont des alliages formés en mélangeant des proportions égales ou relativement importantes de (généralement) cinq éléments ou plus. Ces alliages multicomposants ont suscité un intérêt considérable au cours de la dernière décennie en raison de leurs propriétés structurelles, chimiques et physiques intrigantes, mais aussi de leur capacité à créer un nombre presque infini de combinaisons uniques pour la conception d’alliages.
Ce type de matériau n’est pas encore couramment utilisé dans la fabrication additive, mais des avancées récentes révèlent que la fusion laser sélective, le dépôt par fusion laser, la fusion par faisceau d’électrons et la fabrication additive à l’arc électrique pourraient traiter ces matériaux.
Dans les recherches menées par Wen Chen, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à UMass, et Ting Zhu, professeur de génie mécanique à Georgia Tech, une équipe de scientifiques a découvert que la combinaison d’un HEA avec la fusion de lit de poudre laser permettait de créer de nouveaux des matériaux aux propriétés inédites.
Parce que le processus fond et solidifie les matériaux très rapidement par rapport à la métallurgie traditionnelle, “vous obtenez une microstructure très différente, loin de l’équilibre” dans les composants créés, dit Chen. Cette microstructure ressemble à un réseau et consiste en des couches alternées appelées structures nanolamellaires cubiques à face centrée (FCC) et cubiques à corps centré (BCC), intégrées dans des colonies eutectiques à microéchelle avec des orientations aléatoires. Le HEA nanostructuré hiérarchique permet la déformation coopérative des deux phases.
“Le réarrangement atomique de cette microstructure inhabituelle se traduit par une résistance ultra-élevée ainsi qu’une ductilité accrue, ce qui est inhabituel car les matériaux solides sont généralement cassants”, explique Chen. Par rapport à une coulée de métal conventionnelle, “nous avons atteint près de trois fois la résistance et non seulement nous n’avons pas perdu la ductilité, mais nous l’avons même augmentée en même temps”, ajoute-t-il. « Pour de nombreuses applications, une combinaison de résistance et de ductilité est essentielle. Nos résultats sont originaux et fascinants, tant pour la science des matériaux que pour l’ingénierie. »
“La capacité à produire des HEA solides et ductiles signifie que ces matériaux imprimés en 3D sont plus robustes pour résister aux déformations appliquées, ce qui est important pour la conception de structures légères afin d’améliorer l’efficacité mécanique et les économies d’énergie”, déclare Jie Ren, doctorant de Chen et premier auteur. du papier
L’équipe a développé des modèles informatiques de plasticité cristalline à deux phases pour comprendre les rôles mécaniques que jouent les nanolamelles FCC et BCC et comment elles fonctionnent ensemble pour donner au matériau une plus grande résistance et ductilité.
“Nos résultats de simulation montrent les réponses étonnamment élevées de résistance et de durcissement des nanolamelles BCC, qui sont essentielles pour obtenir la synergie exceptionnelle entre la résistance et la ductilité de notre alliage. Cette compréhension mécanique fournit une base importante pour guider le développement futur des HEA imprimés en 3D avec des performances exceptionnelles. propriétés mécaniques », explique Zhu.
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