fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont mis au point une méthode de brassage laser pour la fabrication additive métallique, résolvant un obstacle de longue date dans la production d'alliages à haute entropie (HEA) : obtenir un mélange homogène de différents métaux à l'échelle atomique lors de la solidification.

Les alliages à haute entropie contiennent plusieurs métaux en proportions approximativement égales, contrairement aux alliages traditionnels qui reposent sur un métal de base avec des ajouts mineurs. Cette composition leur confère des avantages en termes de performance à haute température, ce qui en fait des candidats pour les composants de moteurs à réaction et de réacteurs nucléaires. Cependant, les métaux constitutifs ayant des densités, des points de fusion et des tensions superficielles différents, ils ont tendance à se séparer en zones distinctes lors du refroidissement du bain de fusion, ce qui complique la production.

« Les alliages à haute entropie doivent être mélangés à l'échelle atomique », explique Fan Zhang, physicien au NIST et coresponsable du projet. « Faire en sorte que les métaux se mélangent dans ces proportions nécessite un effort supplémentaire. »

L'impression 3D métallique offre une voie potentielle pour contourner les limites de la coulée. « Il est difficile de fabriquer des pièces en alliage à haute entropie avec des méthodes traditionnelles comme la coulée », déclare Zhang. « Mais nous pensons que l'impression 3D métallique pourrait être une solution. »

Réécrire le trajet du laser

L'équipe du NIST a modifié la manière dont le laser se déplace lors du procédé de fusion sur lit de poudre. Au lieu de suivre un trajet linéaire traditionnel sur le lit de poudre, le chercheur Ho Yeung a guidé le laser le long d'un trajet annulaire elliptique, brassant activement le bain de fusion lors de sa formation.

« Les logiciels des imprimantes 3D commerciales ne peuvent pas générer ces trajets », explique Yeung. « Ils offrent des possibilités de réglage très limitées pour le trajet du laser, nous avons donc dû écrire le logiciel à partir de zéro. »

Comme cette technique ne nécessite pas de nouveau matériel, les imprimantes 3D métalliques existantes peuvent en principe l'utiliser après reprogrammation.

La méthode a été testée en combinant deux matériaux aux propriétés très différentes : le RHEA-19 (un alliage à haute entropie dense) et un alliage de titane léger. Pour confirmer le succès du mélange, le NIST a collaboré avec la source avancée de photons (APS) du Laboratoire national d'Argonne, une installation de synchrotron de la taille d'un stade produisant des faisceaux de rayons X environ 500 milliards de fois plus brillants que ceux utilisés en imagerie dentaire. Ces faisceaux ont permis aux chercheurs d'observer en temps réel, en moins d'une seconde, les changements structurels à l'échelle atomique lors de la transition des métaux de l'état liquide à l'état solide.

« L'APS est l'une des rares sources de photons au monde suffisamment puissantes pour nous permettre d'effectuer ce type de mesures », déclare Zhang.

Vers un alliage à la demande

Outre les alliages à haute entropie, les chercheurs indiquent que cette technique de brassage pourrait également permettre un alliage à la demande plus large à l'intérieur de l'imprimante, en mélangeant des poudres métalliques élémentaires plutôt que d'utiliser des matières premières pré-alliées. Une machine équipée de poudres élémentaires pourrait produire une gamme d'alliages, réduisant ainsi les coûts des matériaux et élargissant la gamme de compositions imprimables.

Cette méthode pourrait également être utilisée pour faire varier continuellement la composition de l'alliage au sein d'une même pièce. Par exemple, une aube de turbine à réaction pourrait être imprimée avec plusieurs métaux sans joints soudés.

« Nous voulons accélérer la fabrication d'alliages », déclare Yeung. « L'impression 3D métallique a le potentiel de créer des pièces qui étaient auparavant impossibles à réaliser. »

Cette recherche a été publiée dans la revue Additive Manufacturing.

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