L'équipe développe un outil prédictif pour concevoir des alliages métalliques complexes capables de résister à des environnements extrêmes

Les cuisiniers adorent l’acier inoxydable pour sa durabilité, sa résistance à la rouille et sa cuisson uniforme lorsqu’il est chauffé. Mais peu de gens connaissent le secret qui rend l’acier inoxydable si populaire. Il s'agit du chrome métallique de l'acier inoxydable, qui réagit avec l'oxygène de l'air pour former une fine couche stable et protectrice pour protéger l'acier en dessous.

De nos jours, les scientifiques et les ingénieurs travaillent à concevoir des alliages capables de résister à des environnements extrêmes pour des applications telles que les réacteurs à fusion nucléaire, les vols hypersoniques et les moteurs à réaction à haute température. Pour des applications aussi extrêmes, les scientifiques expérimentent des combinaisons complexes de nombreux métaux mélangés en proportions égales dans ce que l’on appelle des alliages à éléments multiples ou des alliages à entropie moyenne à élevée. Ces alliages visent à atteindre des objectifs de conception tels que la solidité, la ténacité, la résistance à la corrosion, etc.

Plus précisément, les chercheurs recherchent des alliages résistants à la corrosion qui peut se produire lorsque les métaux réagissent avec l'oxygène de l'atmosphère, un processus appelé oxydation. Ces alliages sont généralement testés selon une procédure de « cuisson et d'observation » au cours de laquelle les matériaux en alliage sont exposés à des environnements d'oxydation à haute température pour voir comment ils réagissent.

Mais maintenant, une équipe de recherche multidisciplinaire dirigée par des scientifiques du laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du ministère de l'Énergie et de l'université d'État de Caroline du Nord a combiné des expériences à l'échelle atomique avec la théorie pour créer un outil permettant de prédire comment ces alliages à haute entropie se comporteront sous des conditions oxydatives à haute température. environnements. La recherche, publiée dans la revue Communications naturellespropose une feuille de route vers des cycles de conception et de test rapides pour les alliages métalliques complexes résistants à l'oxydation.

“Nous travaillons au développement d'un modèle à l'échelle atomique pour la dégradation des matériaux de ces alliages complexes, qui pourra ensuite être appliqué pour concevoir des alliages de nouvelle génération offrant une résistance supérieure aux environnements extrêmes pour une grande variété d'applications telles que les industries aérospatiale et nucléaire. “, a déclaré Arun Devaraj, co-chercheur principal de l'étude et scientifique des matériaux du PNNL spécialisé dans la compréhension de la dégradation des métaux dans des environnements extrêmes.

“L'objectif ici est de trouver des moyens d'identifier rapidement les alliages à entropie moyenne à élevée présentant les propriétés et la résistance à l'oxydation souhaitées pour l'application que vous avez choisie.”

Une recette d'alliage complexe

Pour leurs expériences récentes, l’équipe de recherche a étudié la dégradation d’un alliage à haute entropie contenant des quantités égales de métaux cobalt, chrome, fer, nickel et manganèse (CoCrFeNiMn, également appelé alliage Cantor). L’équipe de recherche a examiné l’oxyde formé sur l’alliage Cantor à l’aide de diverses méthodes avancées à l’échelle atomique pour comprendre comment chaque élément s’organise dans l’alliage et l’oxyde.

Ils ont découvert que le chrome et le manganèse ont tendance à migrer rapidement vers la surface et à former des oxydes de chrome et de manganèse stables. Par la suite, le fer et le cobalt diffusent à travers ces oxydes pour former des couches supplémentaires.

En ajoutant une petite quantité d'aluminium, ils ont découvert que l'oxyde d'aluminium peut agir comme une barrière contre d'autres éléments migrant pour former l'oxyde, réduisant ainsi l'oxydation globale de l'alliage Cantor contenant de l'aluminium et augmentant sa résistance à la dégradation à haute température.

“Ce travail met en lumière les mécanismes d'oxydation dans les alliages complexes à l'échelle atomique”, a déclaré Bharat Gwalani, co-auteur correspondant de l'étude. Gwalani a commencé l'étude alors qu'il était scientifique au PNNL et a poursuivi ses recherches dans son rôle actuel de professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à la North Carolina State University. Il a ajouté : “En comprenant les mécanismes fondamentaux impliqués, ce travail nous permet de mieux comprendre l'oxydation dans tous les alliages complexes”.

Modèles prédictifs

“À l'heure actuelle, il n'existe aucun modèle directeur universellement applicable pour extrapoler la manière dont un alliage d'éléments complexes et multi-principaux donné s'oxydera et se dégradera au fil du temps dans un environnement d'oxydation à haute température”, a déclaré Devaraj. “C'est un pas important dans cette direction.”

L'analyse minutieuse de l'équipe a révélé certaines règles universelles permettant de prédire comment le processus d'oxydation se déroulera dans ces alliages complexes. Des collègues informatiques du NCSU ont développé un modèle appelé paramètre d'interactivité préférentiel pour la prédiction précoce du comportement d'oxydation dans les alliages métalliques complexes.

À terme, l’équipe de recherche espère étendre ces recherches pour développer des alliages complexes dotés de propriétés exceptionnelles à haute température, et ce, très rapidement grâce à un échantillonnage et une analyse rapides. Le but ultime est de choisir une combinaison d’éléments favorisant la formation d’un oxyde adhérent, a expliqué Devaraj. “Vous savez que la formation d'oxyde se produira, mais vous voulez avoir un oxyde très stable qui sera protecteur, qui ne changera pas avec le temps et qui résistera à la chaleur extrême à l'intérieur d'un moteur-fusée ou d'un réacteur nucléaire.”

La prochaine étape consistera à introduire l’expérimentation automatisée et à intégrer des méthodes de fabrication additive, ainsi qu’une intelligence artificielle avancée, pour évaluer rapidement de nouveaux alliages prometteurs. Ce projet est actuellement en cours au PNNL dans le cadre de l'adaptabilité adaptative pour la synthèse et le contrôle via l'initiative Autonomous Learning on Edge (AT SCALE).

“Ce type de boucle de découverte pour la découverte de matériaux sera très pertinent pour élargir davantage nos connaissances sur ces nouveaux alliages”, a déclaré Devaraj, qui est également professeur conjoint à la Colorado School of Mines.

Outre Gwalani et Devaraj, les scientifiques du PNNL Sten Lambeets, Matthew Olszta, Anil Krishna Battu et Thevuthasan Suntharampillai ont contribué ; ainsi que Martin Thuo, Aram Amassian, Andrew Martin, Aniruddha Malakar et Boyu Guo du NCSU ; Elizabeth Kautz, professeure adjointe de génie nucléaire à l'État de Caroline du Nord, qui a également un mandat conjoint avec le PNNL ; Feipeng Yang et Jinghua Guo du Laboratoire national Lawrence Berkeley ; et Ruipeng Li du Laboratoire national de Brookhaven.

Pour étudier la disposition des atomes dans les échantillons, l’équipe de recherche a utilisé la tomographie par sonde atomique in situ au PNNL. Ces résultats ont été corrélés à la microscopie électronique et à la diffusion des rayons X à grand angle à incidence rasante basée sur le synchrotron à la National Synchrotron Light Source II, BNL, et aux mesures d'absorption des rayons X effectuées à la Advanced Light Source, LBNL.