Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment
Le prétraitement par broyage à haute énergie ajuste efficacement les propriétés mécaniques des composites Al0,8CoCrFeNi/Al en affinant la taille du renforcement et en augmentant la densité de dislocations, améliorant ainsi considérablement la limite d'élasticité et la résistance à la traction tout en maintenant une ductilité raisonnable.
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Dans la quête incessante de matériaux plus légers et plus résistants pour tout, de l'aéronautique aux véhicules électriques, les scientifiques se tournent depuis longtemps vers l'aluminium. C'est un métal qui offre un excellent équilibre entre légèreté et robustesse, mais pour les applications les plus exigeantes, il a besoin d'un coup de pouce. Une manière prometteuse de donner ce coup de pouce à l'aluminium consiste à le mélanger à de minuscules particules d'une classe particulière de métaux connus sous le nom d'alliages à haute entropie. Il ne s'agit pas de métaux typiques ; ce sont des mélanges complexes de plusieurs éléments différents qui, une fois combinés, créent un matériau incroyablement tenace, résistant à la corrosion et capable de supporter des chaleurs extrêmes. Le défi, cependant, réside dans le mariage de ces deux matériaux. Si les particules d'alliage à haute entropie sont trop grosses ou s'agglutinent, elles créent des points faibles dans l'aluminium, provoquant la défaillance du produit final sous la contrainte. L'objectif est de disperser ces particules de renforcement de manière si fine et uniforme dans l'aluminium qu'elles agissent comme un bouclier uniforme contre la déformation, renforçant le métal sans le rendre fragile.
Des chercheurs de la Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer et de l'Institut de technologie de Harbin ont relevé ce défi en perfectionnant une méthode appelée métallurgie par déformation. Ce processus est essentiellement une façon de forger le métal à partir de poudre sans le faire fondre, en utilisant une pression et une friction intenses pour mélanger les ingrédients en un bloc solide. Dans leurs derniers travaux, publiés dans un article de recherche, l'équipe a introduit une étape préliminaire cruciale : un prétraitement vigoureux par broyage à haute énergie. Imaginez un tambour lourd rempli de billes d'acier et d'un mélange de poudres d'aluminium et d'alliage à haute entropie. À mesure que le tambour tourne, les billes s'écrasent sur la poudre avec une force énorme, écrasant les particules, les aplatissant et les soudant à nouveau de manière répétée. Les chercheurs voulaient voir combien de temps ils devaient faire tourner ce tambour pour obtenir le résultat parfait. Ils ont testé différentes durées, allant de quinze à trente heures, pour observer comment la poudre changeait et comment ces changements affectaient la résistance finale du composite d'aluminium.
Les résultats ont révélé une histoire de transformation claire. À mesure que le temps de broyage augmentait, les gros morceaux irréguliers d'alliage à haute entropie étaient progressivement broyés en des grains beaucoup plus fins et uniformes. Initialement, les particules étaient relativement grandes et réparties de manière inégale, mais après vingt-cinq heures de broyage, elles avaient été raffinées en de minuscules grains équiaxes de moins de l'équivalent d'un demi-micromètre de taille. Ce raffinement ne concernait pas seulement la taille ; il concernait la manière dont les particules étaient enchâssées dans l'aluminium. Le broyage intense a introduit un nombre massif de défauts, appelés dislocations, dans la structure cristalline de la poudre d'aluminium. Ces défauts ont agi comme des germes, encourageant l'aluminium à réorganiser sa structure interne en un motif de grains plus fin et plus robuste lorsqu'il était ultérieurement forgé en un bloc solide. Les chercheurs ont constaté que plus le broyage se poursuivait, plus les grains d'aluminium étaient capables de se recristalliser en un arrangement serré et uniforme, ce qui est essentiel pour un matériau résistant.
Lorsque l'équipe a forgé ces poudres prétraitées en blocs solides, la différence de performance était flagrante. Les composites fabriqués à partir de poudres broyées pendant des périodes plus courtes présentaient des signes de faiblesse, les particules plus grosses agissant comme des points de départ pour les fissures. Cependant, les échantillons traités pendant vingt-cinq heures ont affiché une combinaison remarquable de force et de flexibilité. Ils pouvaient supporter une force de 282 mégapascals avant de commencer à se déformer de manière permanente, et ils ont résisté jusqu'à 341 mégapascals avant de se rompre, tout en s'étirant de 12,4 %. Cet allongement est significatif ; cela signifie que le matériau ne s'est pas brisé comme du verre mais s'est plutôt plié et étiré, absorbant l'énergie avant de céder. Les surfaces de fracture de ces échantillons réussis présentaient un motif uniforme de minuscules cupules, indiquant que le matériau s'était étiré uniformément plutôt que de se déchirer au niveau des points faibles. En revanche, les échantillons fabriqués avec un temps de broyage moindre présentaient des particules plus grandes et irrégulières qui avaient déclenché des fissures précoces.
L'étude confirme que le prétraitement par broyage est un outil puissant pour adapter les propriétés de ces composites avancés. En ajustant simplement la durée du processus de broyage, les chercheurs pouvaient contrôler la taille des particules de renfort et la structure interne de la matrice d'aluminium. La marque des vingt-cinq heures est apparue comme le point idéal dans leurs expériences, là où les particules étaient assez petites pour être parfaitement dispersées et où la structure de l'aluminium était suffisamment raffinée pour maximiser la résistance sans sacrifier trop de ductilité. Cette approche offre une voie pratique pour la création de matériaux à base d'aluminium assez légers pour l'aérospatiale mais assez robustes pour supporter les rigueurs du vol. Ce travail démontre qu'avec la préparation adéquate, le potentiel des alliages à haute entropie pour renforcer l'aluminium peut être pleinement réalisé, transformant un mélange de poudres en un matériau capable de répondre aux exigences extrêmes de l'ingénierie moderne.
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