Une manière contre-intuitive de fabriquer des alliages plus solides

9 février 2023

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par Kelly Oakes, Université norvégienne des sciences et technologies

Les humains mélangent les métaux depuis des milliers d’années pour créer des matériaux plus utiles. L'âge du bronze, qui a commencé vers 3300 avant JC, a été caractérisé par l'utilisation du bronze, un alliage de cuivre et d'étain plus résistant que l'un ou l'autre métal pris seul.

Aujourd’hui, des chercheurs du NTNU ont découvert une manière contre-intuitive de rendre une invention beaucoup plus récente – des alliages à nanograins, contenant des grains nanométriques de l’élément d’alliage – encore plus résistants.

L'aluminium est un métal largement utilisé pour fabriquer des composants dans les secteurs de l'aérospatiale, des transports et de la construction, en partie parce qu'il est léger mais durable. Les alliages d'aluminium conservent ces qualités mais sont plus résistants que l'aluminium seul.

"S'il s'agissait d'aluminium pur, bien sûr, il n'est pas assez résistant", explique Yanjun Li, professeur de métallurgie physique au Département de science et d'ingénierie des matériaux de NTNU.

Mais ces dernières années, les chercheurs qui ont tenté de fabriquer des alliages d'aluminium à nanograins contenant du cuivre se sont heurtés à un problème : les atomes de cuivre ont tendance à s'agglutiner, formant des particules grossières avec de l'aluminium à l'intérieur du matériau, en particulier à des températures supérieures à 100°C.

Lorsque le cuivre n’est plus réparti uniformément dans le matériau, l’alliage s’affaiblit.

"Ils s'accumulent ensemble, formant de grosses particules", explique Li. "Ces particules, lorsqu'elles sont grosses, peuvent en fait diminuer la résistance."

Les atomes de cuivre peuvent se déplacer à travers la matière s'il existe un espace vide (un espace non occupé par les atomes) dans lequel ils peuvent se déplacer.

Les chercheurs ont donc tenté de minimiser le nombre de postes vacants afin de réduire la capacité des atomes à se déplacer.

"S'il n'y a pas de postes vacants, aucun atome ne pourrait bien sûr bouger", explique Li.

Mais maintenant, Li et ses collègues ont trouvé un moyen d'augmenter le nombre de postes vacants tout en augmentant la résistance de l'alliage obtenu.

Dans des travaux publiés dans la revue Nature Communications, les chercheurs ont ajouté des atomes de scandium ainsi que des atomes de cuivre à l'aluminium, tout en augmentant le nombre de postes vacants.

Les atomes de scandium et de cuivre, ainsi que les lacunes, formaient des structures qui ne pouvaient pas facilement se déplacer à travers le matériau.

"Ensemble, ils sont très stables", explique Li. "Il devient plus difficile pour chacun d'entre eux de se déplacer."

Grâce aux nouvelles structures scandium-cuivre, les grosses particules d'aluminium-cuivre qui se seraient formées auparavant ont été complètement supprimées, même lorsque l'alliage a été chauffé à 200°C pendant 24 heures.

Cette stabilité signifie que les atomes de cuivre restent répartis uniformément dans tout le matériau et que l'alliage conserve sa résistance supplémentaire.

L'équipe a observé les amas de cuivre et de scandium à l'aide de la tomographie par sonde atomique (APT), une technique qui permet de voir ce qui se passe au niveau atomique à l'intérieur d'un matériau.

doctorat L'étudiante Hanne Søreide a préparé des aiguilles très fines (seulement 50 nm de diamètre) de l'alliage à l'aide du faisceau d'ions focalisé de NTNU Nanolab. Elle a ensuite utilisé la sonde atomique pour évaporer les atomes, un par un, depuis le haut de l’aiguille, tandis qu’un détecteur capturait des informations à leur sujet.

"Différents atomes peuvent voler plus vite ou plus lentement", explique Li.

À l’aide de ces informations, les chercheurs ont reconstitué une image de l’endroit où se trouvait initialement chaque atome dans le matériau. Ils ont vu que les atomes des deux éléments d’alliage différents se rejoignaient à l’intérieur de l’aluminium.