Faible coût et léger: L’alliage de titane le plus résistant vise à améliorer l’économie de carburant des véhicules et à réduire les émissions de CO2

Communiqué de presse du Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique, 1er avril 2016

RICHLAND, Washington. – Un alliage de titane amélioré – plus résistant que tout alliage de titane commercial actuellement sur le marché — tire sa force de la nouvelle façon dont les atomes sont disposés pour former une nanostructure spéciale. Pour la première fois, les chercheurs ont pu voir cet alignement, puis le manipuler pour fabriquer l’alliage de titane le plus solide jamais développé, et avec un processus à moindre coût.

Ils notent dans un article publié le 1er avril par Nature Communications que le matériau est un excellent candidat pour la production de pièces de véhicules plus légères, et que cette nouvelle compréhension pourrait conduire à la création d’autres alliages à haute résistance.

Les chercheurs du Laboratoire national Pacific Northwest du Département de l’Énergie savaient que l’alliage de titane fabriqué à partir d’un procédé à faible coût qu’ils avaient précédemment mis au point avait de très bonnes propriétés mécaniques, mais ils voulaient savoir comment le rendre encore plus résistant. En utilisant des microscopes électroniques puissants et une approche d’imagerie par sonde atomique unique, ils ont pu scruter profondément la nanostructure de l’alliage pour voir ce qui se passait. Une fois qu’ils ont compris la nanostructure, ils ont pu créer l’alliage de titane le plus solide jamais fabriqué.

Le mélange

À 45% du poids de l’acier à faible teneur en carbone, le titane est un élément léger mais pas super résistant. Il est généralement mélangé à d’autres métaux pour le rendre plus résistant. Il y a cinquante ans, les métallurgistes ont essayé de le mélanger avec du fer bon marché, avec du vanadium et de l’aluminium. L’alliage résultant, appelé Ti185, était très résistant — mais seulement par endroits. Le mélange avait tendance à s’agglutiner — comme n’importe quelle recette. Le fer s’est regroupé dans certaines zones, créant des défauts connus sous le nom de taches bêta dans le matériau, ce qui rend difficile la production commerciale de cet alliage de manière fiable.

Il y a environ six ans, PNNL et ses collaborateurs ont trouvé un moyen de contourner ce problème et ont également développé un procédé à faible coût pour produire le matériau à l’échelle industrielle, ce qui n’avait pas été fait auparavant. Au lieu de commencer par du titane fondu, l’équipe a substitué de la poudre d’hydrure de titane. En utilisant cette matière première, ils ont réduit le temps de traitement de moitié et ils ont considérablement réduit les besoins en énergie, ce qui a donné lieu à un processus à faible coût actuellement utilisé par une société appelée Advance Materials Inc. ADMA a co-développé le procédé avec le métallurgiste Curt Lavender de PNNL et vend la poudre d’hydrure de titane et d’autres matériaux avancés à l’industrie aérospatiale et à d’autres.

Forgerons modernes

Tout comme un forgeron médiéval, les chercheurs savaient qu’ils pouvaient rendre cet alliage encore plus solide en le traitant thermiquement. Chauffer l’alliage dans un four à différentes températures puis le plonger dans l’eau froide réorganise essentiellement les éléments au niveau atomique de différentes manières, rendant ainsi le matériau résultant plus résistant.

Un alliage de titane amélioré – plus résistant que tout alliage de titane commercial actuellement sur le marché – tire sa force de la nouvelle façon dont les atomes sont disposés pour former une nanostructure spéciale. Pour la première fois, des chercheurs du Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique ont pu voir cet alignement, puis le manipuler pour le rendre encore plus fort. À l’aide de microscopes électroniques puissants et d’une approche d’imagerie par sonde atomique unique à l’EMSL, le Laboratoire de Sciences moléculaires environnementales, une installation d’utilisateurs du Bureau des sciences du DOE située à PNNL, ils ont pu scruter au plus profond de la nanostructure de l’alliage pour voir ce qui se passait.

La forge est maintenant passée d’une forme d’art à un domaine plus scientifique. Bien que les principes sous-jacents soient les mêmes, les métallurgistes sont désormais mieux à même de modifier les propriétés en fonction des besoins de l’application. L’équipe de PNNL savait que si elle pouvait voir la microstructure à l’échelle nanométrique, elle pourrait optimiser le processus de traitement thermique pour adapter la nanostructure et obtenir une résistance très élevée.

« Nous avons constaté que si vous le traitez d’abord à la chaleur avec une température plus élevée avant une étape de traitement thermique à basse température, vous pourriez créer un alliage de titane 10 à 15% plus résistant que tout alliage de titane commercial actuellement sur le marché et qu’il a environ le double de la résistance de l’acier », a déclaré Arun Devaraj, un scientifique des matériaux chez PNNL. « Cet alliage est toujours plus cher que l’acier, mais avec son rapport résistance / coût, il devient beaucoup plus abordable avec un plus grand potentiel pour les applications automobiles légères », a ajouté Vineet Joshi, métallurgiste chez PNNL.

Devaraj et son équipe ont utilisé la microscopie électronique pour zoomer sur l’alliage à l’échelle des centaines de nanomètres — environ 1 000e de la largeur d’un cheveu humain moyen. Ensuite, ils ont zoomé encore plus loin pour voir comment les atomes individuels sont disposés en 3D à l’aide d’un système de tomographie par sonde atomique à l’EMSL, le Laboratoire de Sciences Moléculaires Environnementales, une installation d’utilisateurs du Bureau des sciences du DOE située à PNNL.

La sonde atomique déloge un seul atome à la fois et l’envoie à un détecteur. Les atomes plus légers « volent » vers le détecteur plus rapidement, tandis que les objets plus lourds arrivent plus tard. Chaque type d’atome est identifié en fonction du temps nécessaire à chaque atome pour atteindre le détecteur et la position de chaque atome est identifiée par le détecteur. Ainsi, les scientifiques sont en mesure de construire une carte atomique de l’échantillon pour voir où se trouve chaque atome individuel dans l’échantillon.

En utilisant des méthodes de microscopie aussi étendues, les chercheurs ont découvert que par le processus de traitement thermique optimisé, ils créaient des régions de précipités de taille micronique et nanosisées — appelées phase alpha, dans une matrice appelée phase bêta — chacune avec des concentrations élevées de certains éléments.

« Les atomes d’aluminium et de titane aimaient se trouver à l’intérieur des précipités de la phase alpha de taille nanométrique, tandis que le vanadium et le fer préféraient passer à la phase de matrice bêta », a déclaré Devaraj. Les atomes sont disposés différemment dans ces deux zones. Le traitement des régions à une température plus élevée de 1 450 degrés Fahrenheit a permis d’obtenir une structure nano hiérarchique unique.

Lorsque la résistance a été mesurée en tirant ou en appliquant une tension et en l’étirant jusqu’à ce qu’elle tombe en panne, le matériau traité a obtenu une augmentation de résistance de 10 à 15%, ce qui est significatif, en particulier compte tenu du faible coût du processus de production.

Si vous prenez la force avec laquelle vous tirez et la divisez par la surface du matériau, vous obtenez une mesure de la résistance à la traction en mégapascals. L’acier utilisé pour produire des véhicules a une résistance à la traction de 800 à 900 mégapascals, alors que l’augmentation de 10 à 15% obtenue chez PNNL place Ti185 à près de 1 700 mégapascals, soit environ le double de la résistance de l’acier automobile tout en étant presque moitié moins léger.

L’équipe a collaboré avec Ankit Srivastava, professeur adjoint au département de science et d’ingénierie des matériaux de Texas A&Pour développer un modèle mathématique simple expliquant comment la nanostructure hiérarchique peut entraîner une résistance exceptionnellement élevée. Le modèle comparé aux résultats de microscopie et au traitement a conduit à la découverte de cet alliage de titane le plus solide jamais fabriqué.

« Cela repousse les limites de ce que nous pouvons faire avec les alliages de titane », a déclaré Devaraj. « Maintenant que nous comprenons ce qui se passe et pourquoi cet alliage a une résistance aussi élevée, les chercheurs pensent qu’ils pourraient modifier d’autres alliages en créant intentionnellement des microstructures qui ressemblent à celles de Ti185. »

Par exemple, l’aluminium est un métal moins coûteux et si la nanostructure des alliages d’aluminium peut être vue et organisée hiérarchiquement de manière similaire, cela aiderait également l’industrie automobile à construire des véhicules plus légers qui consomment moins de carburant et émettent moins de dioxyde de carbone qui contribue au réchauffement climatique.

Le Programme de matériaux de propulsion du Bureau des technologies des véhicules du DOE a soutenu cette recherche en utilisant les capacités développées dans le cadre de l’Initiative d’imagerie chimique financée à l’interne par le PNNL.

L’EMSL, le Laboratoire de sciences moléculaires de l’Environnement, est une installation nationale d’utilisateurs scientifiques parrainée par le Bureau des sciences du Ministère de l’Énergie. Situé au Pacific Northwest National Laboratory à Richland, Wash., EMSL offre un environnement ouvert et collaboratif pour la découverte scientifique aux chercheurs du monde entier. Ses ressources informatiques et expérimentales intégrées permettent aux chercheurs de réaliser d’importantes connaissances scientifiques et de créer de nouvelles technologies.

Les équipes interdisciplinaires du Pacific Northwest National Laboratory abordent bon nombre des problèmes les plus urgents de l’Amérique dans les domaines de l’énergie, de l’environnement et de la sécurité nationale grâce aux progrès des sciences fondamentales et appliquées. Fondée en 1965, PNNL emploie 4 400 personnes et dispose d’un budget annuel de près de 1 milliard de dollars. Il est géré par Battelle pour le Bureau des sciences du Département américain de l’Énergie. En tant que plus grand défenseur de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis, le Bureau des sciences s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque.

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