Stabilisation de la croissance des précipités aux limites des grains dans les alliages

Les matériaux sont souvent considérés comme constitués d’une seule phase, mais de nombreux matériaux techniques contiennent deux phases ou plus, améliorant ainsi leurs propriétés et leurs performances. Ces matériaux biphasés comportent des inclusions, appelées précipités, noyées dans la microstructure. Les alliages, une combinaison de deux ou plusieurs types de métaux, sont utilisés dans de nombreuses applications, comme les turbines pour moteurs à réaction et les alliages légers pour les applications automobiles, car ils possèdent de très bonnes propriétés mécaniques grâce aux précipités incorporés. La taille moyenne des précipités a toutefois tendance à augmenter avec le temps, dans le cadre d'un processus appelé grossissement, ce qui entraîne une dégradation des performances des microstructures contenant des précipités à l'échelle nanométrique.

Chercheurs à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaignont identifié une nouvelle voie pour stabiliser les précipités nanométriques dans les alliages. Dans une nouvelle étude, le professeur de science et d'ingénierie des matériaux Pascal Bellon, le chercheur postdoctoral Gabriel Bouobda Moladje et leurs collaborateurs montrent qu'il est possible d'utiliser des processus hors équilibre pour arrêter le grossissement des précipités, ce qui donne lieu à des nanostructures stables.

Les résultats de cette recherche ont été récemment publiés dans Physical Review Letters.

"Au cours des deux dernières décennies, les chercheurs ont réalisé que la présence d'inclusions à l'échelle nanométrique dans la structure pouvait en réalité être très bénéfique pour le matériau", explique Bellon. "Le défi est que ces petites particules veulent spontanément grossir."

Pensez-y comme si vous prépariez des pâtes : lorsque de l'huile est ajoutée à l'eau bouillante, les gouttes d'huile peuvent être petites lorsqu'elles sont ajoutées et agitées pour la première fois, mais si l'agitation est arrêtée, les gouttelettes se combinent pour former des gouttes plus grosses. C'est le processus de grossissement. «Si l'on s'intéresse à la distribution d'objets à petite échelle, il faut lutter contre cette tendance naturelle à la grossièreté», explique Bellon.

L’équipe a utilisé la modélisation informatique pour étudier les précipités formés dans les domaines situés entre différents cristaux du matériau, appelés joints de grains, lorsqu’ils sont soumis à une irradiation, une force hors d’équilibre. Dans un environnement d'équilibre, les forces sont équilibrées et il n'y a aucun changement net dans le matériau. Cependant, dans la plupart des applications, les matériaux durs sont soumis à des forces hors d’équilibre comme l’irradiation ou même l’agitation. Il est donc important de comprendre comment les précipités évoluent dans de tels environnements hors équilibre.

«Nous nous sommes particulièrement intéressés aux alliages soumis à une irradiation énergétique de particules», explique Bellon. « C’est une situation qui se produit par exemple dans le cas des matériaux utilisés pour des applications nucléaires. C'est également le cas des matériaux utilisés dans l'espace, où ils sont bombardés par les rayons cosmiques. Ce que nous recherchions spécifiquement était un modèle d’alliage d’aluminium et d’antimoine.

Dans les alliages d’aluminium et d’antimoine, l’antimoine veut former des précipités, comme le pétrole veut former des gouttelettes dans l’eau. Les chercheurs ont découvert que lorsqu’ils étaient irradiés, des précipités se formaient comme prévu aux joints de grains. Mais ils ont également constaté qu’au lieu de grossir et de continuer à croître, les précipités atteignaient une certaine taille et s’arrêtaient. C’est ce qu’on appelle un comportement de grossissement arrêté et c’est un résultat inattendu.

Cette approche pourrait être appliquée à d’autres systèmes de matériaux où le transport d’espèces joue un rôle important, comme le transport d’espèces ioniques entre les électrodes des batteries. Dans les matériaux de batterie, il peut être avantageux d’avoir de petits précipités, car de gros précipités peuvent générer beaucoup de contraintes sur le matériau. Dans un tel cas, la suppression du grossissement serait bénéfique.

À la suite de ces recherches informatiques, Bellon, ainsi que les professeurs Robert Averback et Marie Charpagne de l'UIUC MatSE, prévoient de commencer à explorer la validation expérimentale des résultats récemment publiés. Bellon déclare : « Nous sommes ravis de combiner la modélisation, la théorie et les expériences, tout en tirant parti de tous les outils du Laboratoire de recherche sur les matériaux, pour tester les prédictions des simulations informatiques à un niveau expérimental. »