Radiofrequency plasma spheroidization of lightweight complex concentrated superalloy Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20
Cet article présente une nouvelle méthode combinant l'alliage mécanique et la sphéroïdisation par plasma à radiofréquence pour produire avec succès des poudres sphériques de haute qualité du superalliage complexe léger Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20, qui sont adaptées à la fabrication additive et présentent une microstructure dominée par des phases BCC avec un ordre local B2.
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Le monde de l'ingénierie aérospatiale repousse constamment un plafond difficile : le point de fusion des matériaux utilisés pour construire les moteurs à réaction et les engins spatiaux. Pendant des décennies, l'industrie s'est appuyée sur des superalliages à base de nickel, qui sont incroyablement résistants mais commencent à perdre leur intégrité structurelle lorsque les températures approchent les 1 200 degrés Celsius. Pour voler plus haut et plus vite, les ingénieurs ont besoin de matériaux capables de supporter une chaleur encore plus extrême. Cela a conduit au développement d'une nouvelle classe de métaux appelés alliages complexes réfractaires concentrés. Il ne s'agit pas de simples mélanges de deux ou trois métaux, mais de mélanges complexes de cinq éléments ou plus, lourds et résistants à la chaleur, tels que le tantale, le niobium et le titane. L'objectif est de créer un matériau qui soit non seulement plus solide à des températures ultra-hautes, mais aussi plus léger que les alliages de nickel qu'il vise à remplacer, réduisant ainsi le poids global de l'aéronef.
Cependant, transformer ces recettes complexes en pièces utilisables constitue un obstacle majeur. Pour fabriquer ces alliages à l'aide de la fabrication additive moderne, connue sous le nom d'impression 3D, les ingénieurs ont besoin de la matière première sous forme de poudre fine et parfaitement ronde. Si les particules de poudre sont dentelées ou irrégulières, elles ne s'écouleront pas de manière fluide dans la machine d'impression, ce qui entraînera des points faibles et des défauts dans l'objet final. La création de ces poudres est notoirement difficile car les éléments impliqués sont si réactifs et possèdent des points de fusion si élevés que les méthodes traditionnelles échouent souvent à produire un produit sphérique et propre. Une équipe de chercheurs en République tchèque a récemment abordé ce problème en combinant deux processus distincts : d'abord, broyer les éléments métalliques bruts ensemble pour obtenir une poudre brute, puis utiliser un jet de gaz surchauffé pour fondre et remodeler ces particules en sphères parfaites.
Les chercheurs ont commencé par une recette d'alliage spécifique contenant de l'aluminium, du niobium, du tantale, du titane, du vanadium et du zirconium. Ils ont commencé par prendre des poudres brutes de ces six éléments et les ont broyées ensemble dans un broyeur à haute énergie pendant 48 heures. Ce processus, appelé alliage mécanique, a forcé les différentes particules métalliques à se lier et à se mélanger à un niveau microscopique. Le résultat fut une poudre chimiquement uniforme mais physiquement dentelée et irrégulière, semblable à du gravier concassé. Bien que ce mélange contienne les bons ingrédients, il était inutile pour l'impression 3D dans son état actuel. L'équipe a ensuite introduit cette poudre brute dans une machine spécialisée qui utilise un plasma à radiofréquence, un flux de gaz ionisé chauffé à des températures d'environ 10 000 degrés Celsius. Alors que les particules dentelées traversaient cette chaleur intense, elles fondaient instantanément. Une fois liquides, la force naturelle de la tension superficielle a attiré les gouttelettes de métal liquide en sphères parfaites, tout comme une goutte d'eau forme une boule dans l'espace. Les particules se sont ensuite refroidies si rapidement qu'elles ont gelé dans cette forme sphérique, prêtes à être utilisées pour la fabrication additive.
La transformation fut largement réussie. La poudre résultante se composait de sphères presque parfaites avec une distribution de taille idéale pour l'impression, les particules tombées au fond de la chambre de collecte mesurant en moyenne environ 39 micromètres. Les chercheurs ont constaté que le processus fonctionnait suffisamment bien pour fondre même les éléments les plus tenaces et à haut point de fusion de la composition. Cependant, le voyage n'a pas été sans complications. Bien que la forme de la poudre ait été améliorée, la pureté chimique n'était pas parfaite. L'analyse a révélé que la poudre contenait des niveaux d'oxygène et d'azote plus élevés que les matières premières d'origine. Cette contamination est probablement survenue parce que les minuscules particules, en volant à travers le plasma, ont agi comme des éponges, absorbant les gaz de l'environnement environnant. La présence de ces éléments supplémentaires était significative ; elle a rendu les particules de poudre finale plus dures que prévu, un phénomène que les chercheurs ont attribué à l'effet de renforcement de ces gaz piégés plutôt qu'à la composition de l'alliage lui-même.
À l'intérieur des sphères nouvellement formées, les chercheurs ont découvert une structure interne complexe. Certaines particules étaient uniformes, tandis que d'autres présentaient un motif distinct de deux phases différentes, semblable à la façon dont les cristaux de glace se forment dans une boisson granité. Une phase était riche en aluminium et en zirconium, tandis que l'autre était dominée par le tantale et le niobium. Cette séparation s'est produite parce que les particules ont refroidi si rapidement que les différents éléments n'ont pas eu le temps de se mélanger complètement avant la solidification. L'équipe a également trouvé de minuscules cristaux en forme d'aiguilles d'un composé fait de zirconium et de carbone incrustés dans le métal. Ces cristaux se sont formés car une petite quantité d'éthanol, utilisée plus tôt lors du broyage pour empêcher la poudre de coller, a introduit du carbone dans le mélange. Le carbone s'est ensuite lié au zirconium lors de l'intense chauffage par le plasma.
L'étude conclut que cette méthode de broyage puis de fusion est une voie viable pour créer les poudres de haute qualité nécessaires aux matériaux aérospatiaux de nouvelle génération. Le processus a réussi à transformer une poussière métallique dentelée et irrégulière en un flux sphérique et lisse qui peut être utilisé dans les imprimantes 3D. Pourtant, les chercheurs avertissent que le chemin vers la perfection n'est pas encore achevé. La présence de gaz indésirables et la formation de composés de carbone inattendus suggèrent que le processus nécessite encore des raffinements pour garantir la pureté chimique du matériau final. L'équipe souligne que pour que ces alliages avancés atteignent leur plein potentiel, le contrôle de la pureté de l'environnement gazeux et de la propreté de l'équipement est tout aussi important que le contrôle de la température. En comprenant ces détails subtils, les ingénieurs peuvent se rapprocher de l'impression de pièces d'aéronefs plus légères, plus solides et capables de fonctionner dans des environnements qui étaient auparavant inaccessibles.
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