Le nouveau titane nanotwinned permet une fabrication durable

Les scientifiques de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab ont utilisé une technique de microscopie électronique appelée diffraction par rétrodiffusion d'électrons (EBSD) pour imager la structure du titane pur avec une structure nanotwinnée. Chaque couleur représente une orientation unique des grains. Les fines lamelles révèlent la structure nanomaillée réalisée par un procédé appelé cryoforgeage. (Crédit : Andy Minor/Berkeley Lab)

– Par Julie Fornaciari

Jl'itanium est solide et léger, offrant le rapport résistance / poids le plus élevé de tous les métaux structurels. Mais le traiter tout en maintenant un bon équilibre entre résistance et ductilité - la capacité d'un métal à être étiré sans se casser - est difficile et coûteux. En conséquence, le titane a été relégué à des utilisations de niche dans certaines industries.

Aujourd'hui, comme le rapporte une étude récente publiée dans la revue Science, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont découvert une nouvelle voie pratique.

L'équipe a découvert qu'elle pouvait utiliser une technique appelée cryoforgeage pour manipuler du titane pur à l'échelle d'un milliardième de mètre (un nanomètre) à des températures ultra-basses afin de produire du titane « nanotwinné » extra-fort sans rien sacrifier de sa ductilité.

La nouvelle technique, co-développée par des chercheurs de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, a été présentée dans un article de couverture de l'édition du 17 septembre de la revue Science. (Avec l'aimable autorisation de la science)

"Cette étude est la première fois que quelqu'un produit une structure nano-jumelée pure dans un matériau en vrac", a déclaré Andrew Minor, chef de projet de l'étude et directeur du National Center for Electron Microscopy à la Molecular Foundry, une installation d'utilisateurs de nanosciences au Berkeley Lab. "Avec le titane nanotwinned, nous n'avons plus à choisir entre la résistance et la ductilité, mais nous pouvons à la place obtenir les deux."

Les propriétés mécaniques des métaux dépendent en partie de leurs grains - de minuscules zones cristallines individuelles de motifs atomiques répétitifs qui forment la structure interne du matériau. Les limites entre les grains, où le motif change, renforcent les métaux en empêchant les défauts appelés dislocations de se déplacer et d'affaiblir la structure du matériau. Imaginez les grains comme des rues et les joints de grains comme des feux rouges qui empêchent le passage des "voitures" atomiques.

Une façon de renforcer un métal consiste simplement à réduire la taille de ses grains pour créer plus de limites en le forgeant - en comprimant le matériau à des températures élevées ou même à température ambiante en le roulant ou en le martelant. Cependant, ce type de traitement se fait souvent au détriment de la ductilité - la structure interne se brise, ce qui la rend sujette à la rupture. Les "rues" à grain plus petit et l'augmentation des "feux rouges" entraînent un empilement de trafic atomique et casse le matériau.

"La résistance d'un matériau est normalement corrélée à la taille des grains intérieurs - plus ils sont petits, mieux c'est", a déclaré Minor, qui est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Mais la haute résistance et la ductilité sont généralement des propriétés mutuellement exclusives."

Entrez nanojumeaux. Les nanojumeaux sont un type spécifique d'arrangement atomique où les minuscules limites de la structure cristalline s'alignent symétriquement, comme des images miroir les unes des autres. De retour sur les routes atomiques, les feux rouges sur les "rues" du grain se transforment en ralentisseurs avec une structure nanojumelée, ce qui permet aux atomes de se déplacer plus facilement sans accumulation de stress tout en maintenant une résistance accrue.

Les matériaux nanomaillés ne sont pas nouveaux. Cependant, leur fabrication nécessite généralement des techniques spécialisées qui peuvent être coûteuses. Ces techniques ont fonctionné pour un ensemble sélectionné de métaux comme le cuivre et ne sont généralement utilisées que pour fabriquer des films minces. De plus, la plupart du temps, les propriétés des couches minces ne se traduisent pas par des matériaux en vrac.

Pour créer du titane nanotwinné, l'équipe de recherche a utilisé une technique simple, le cryoforgeage - en manipulant la structure du métal à des températures ultra-basses. La technique commence par un cube de titane très pur (plus de 99,95 %) placé dans de l'azote liquide à moins 321 degrés Fahrenheit. Pendant que le cube est immergé, une compression est appliquée à chaque axe du cube. Dans ces conditions, la structure du matériau commence à former des joints de nanomacles. Le cube est ensuite chauffé à 750 degrés Fahrenheit pour éliminer tout défaut structurel qui s'est formé entre les limites jumelles.

Un schéma montrant le processus de cryoforgeage pour générer une structure nanomaillée en titane de haute pureté. (Crédit : Andy Minor/Berkeley Lab)

Les chercheurs ont soumis le matériau nouvellement formé à une série de tests de résistance et ont utilisé les microscopes électroniques de la fonderie moléculaire pour découvrir la source de ses propriétés uniques. Au cours de ces tests, ils ont découvert que le titane nanotwinné avait une meilleure formabilité car il avait la capacité à la fois de former de nouvelles limites de nanotwin et de défaire les limites précédemment formées, qui contribuent toutes deux à la déformation. Ils ont testé le matériau à des températures extrêmes allant jusqu'à 1 112 degrés Fahrenheit, aussi chauds que de la lave coulante, et ont constaté qu'il conservait sa structure et ses propriétés, démontrant la polyvalence du matériau.

À des températures très froides, le titane nanotwinné est capable de résister à plus de contraintes que le titane normal, ce qui est le contraire de ce qui se passe généralement pour la plupart des métaux - à basses températures, la plupart des matériaux deviennent plus cassants.

La taille et le nombre de ces structures nanojumeaux peuvent modifier les caractéristiques du métal.

Dans le cas du titane, les chercheurs ont découvert que le nanojumelage doublait la résistance du métal et augmentait sa ductilité de 30 % à température ambiante. À des températures très basses, l'amélioration était encore plus spectaculaire - le titane nanotwinned a pu doubler de longueur avant de se fracturer.

Le titane nanotwinné a également conservé ses excellentes propriétés à des températures relativement élevées, montrant que ces propriétés persisteraient non seulement dans le climat tempéré de la région de la baie de San Francisco, mais aussi dans le froid extrême de l'espace et à proximité de la chaleur intense d'un moteur à réaction.

La fabrication de titane nanomaillé par cryoforgeage est potentiellement rentable, évolutive pour la production commerciale et produit un produit facilement recyclable. De plus, comme l'a déclaré Minor, "Nous avons montré le mécanisme de nanojumelage dans le titane, mais il est tout à fait possible qu'il fonctionne dans d'autres matériaux où la ductilité est limitée." À partir de là, les chercheurs espèrent prendre le processus qu'ils ont développé pour le titane et déterminer s'il peut être appliqué à d'autres métaux.

La fonderie moléculaire est une installation nationale d'utilisateurs du DOE au laboratoire de Berkeley.

Des chercheurs de l'UC Berkeley ont contribué à l'étude.

Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science et le US Office of Naval Research.

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