Un alliage imprimable en 3D conçu pour les environnements extrêmes

Nature volume 617, pages 513-518 (2023)Citer cet article

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Les alliages à plusieurs éléments principaux constituent une classe de matériaux habilitante en raison de leurs impressionnantes propriétés mécaniques et de résistance à l'oxydation, en particulier dans les environnements extrêmes1,2. Nous développons ici un nouvel alliage à base de NiCoCr renforcé par dispersion d'oxydes en utilisant une approche de conception d'alliage basée sur un modèle et une fabrication additive par laser. Cet alliage renforcé par dispersion d'oxyde, appelé GRX-810, utilise une fusion laser sur lit de poudre pour disperser des particules Y2O3 à l'échelle nanométrique dans toute la microstructure sans recourir à des étapes de traitement gourmandes en ressources telles que l'alliage mécanique ou in situ3,4. Nous montrons l’incorporation et la dispersion réussies d’oxydes à l’échelle nanométrique dans tout le volume de construction du GRX-810 via une caractérisation à haute résolution de sa microstructure. Les résultats mécaniques du GRX-810 montrent une résistance deux fois supérieure, des performances de fluage plus de 1 000 fois supérieures et une double amélioration de la résistance à l'oxydation par rapport aux alliages polycristallins corroyés traditionnels à base de Ni largement utilisés dans la fabrication additive à 1 093 °C5,6. Le succès de cet alliage met en évidence la manière dont les conceptions d'alliages basées sur des modèles peuvent fournir des compositions supérieures en utilisant beaucoup moins de ressources par rapport aux méthodes « essais et erreurs » du passé. Ces résultats montrent comment le développement futur d’alliages tirant parti du renforcement de la dispersion combiné au traitement de fabrication additive peut accélérer la découverte de matériaux révolutionnaires.

Les alliages à haute entropie, également communément appelés alliages à éléments multiples (MPEA), constituent une classe de matériaux qui intéressent actuellement la communauté métallurgique1,2,7,8,9. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses recherches scientifiques ont découvert les propriétés remarquables de ces alliages7,10,11,12,13. L’une des familles MPEA les plus étudiées est l’alliage Cantor CoCrFeMnNi et ses dérivés2,8,14. Ce groupe d'alliages a montré un excellent écrouissage, résultant en une résistance à la traction et une ductilité élevées7,15,16,17,18. Surmonter le compromis résistance-ductilité est le résultat de mécanismes de déformation à l’échelle atomique16, tels que les énergies de défauts d’empilement localement variables19 et les transformations de phase entraînées magnétiquement20. Cette classe d’alliages s’est également révélée robuste, résistant à la fragilisation par l’hydrogène21, présentant des propriétés d’irradiation améliorées22 et offrant une résistance supérieure aux températures cryogéniques23. En conséquence, ces alliages présentent un grand potentiel pour de nombreuses applications aérospatiales et énergétiques dans des environnements corrosifs et à température élevée, permettant une réduction de poids et un fonctionnement plus performant.

Un dérivé de l’alliage Cantor particulièrement intéressant est l’alliage à entropie moyenne NiCoCr. Cette famille d’alliages offre la plus grande résistance à température ambiante parmi l’alliage Cantor et ses dérivés2,24. Récemment, il a été démontré que cet alliage offrait des propriétés de traction impressionnantes (limite d'élasticité à température ambiante de 1 100 MPa) lorsqu'il était soumis à un traitement thermique de recristallisation partielle après laminage à froid17. Ces propriétés sont également attribuées aux transformations de phase cubiques à faces centrées (FCC) induites par la déformation en paquets compacts hexagonaux (HCP) et aux variations locales des défauts d'empilement. L'alliage et le dopage de NiCoCr avec des éléments réfractaires et des interstitiels ont également été explorés récemment. Seol et coll. ont découvert que le dopage de l'alliage à haute entropie, NiCoCrFeMn, avec 30 ppm de bore entraînait des améliorations significatives de la résistance et de la ductilité attribuées à la fois au renforcement des joints de grains et aux interstitiels du bore25. Des études récentes ont également montré que l'ajout de carbone aux MPEA entraînait une amélioration de la résistance26,27,28. Enfin, Wu et al.29 ont découvert que trois ajouts de W en pourcentage atomique (%) dans NiCoCr créaient une structure de grain plus fine (taille moyenne des grains 1 μm), entraînant une forte augmentation de la limite d'élasticité de l'alliage (plus de 1 000 MPa). , contre 500 MPa pour le NiCoCr non allié) tout en conservant une ductilité exceptionnelle supérieure à 50 % (réf. 29). Ces résultats suggèrent que des améliorations significatives des systèmes FCC MPEA peuvent encore être réalisées grâce à un alliage supplémentaire.