Une nouvelle approche de conception identifie des voies vers des alliages de titane plus résistants

Les alliages de titane sont des matériaux structurels essentiels pour une grande variété d’applications, des infrastructures aérospatiales et énergétiques aux équipements biomédicaux. Mais comme pour la plupart des métaux, l’optimisation de leurs propriétés implique généralement un compromis entre deux caractéristiques clés : la résistance et la ductilité. Les matériaux plus résistants ont tendance à être moins déformables, et les matériaux déformables ont tendance à être mécaniquement faibles.

Aujourd’hui, des chercheurs du MIT, en collaboration avec des chercheurs d’ATI Specialty Materials, ont découvert une approche permettant de créer de nouveaux alliages de titane capables de dépasser ce compromis historique, conduisant à de nouveaux alliages avec des combinaisons exceptionnelles de résistance et de ductilité, qui pourraient conduire à de nouvelles applications.

Les résultats sont décrits dans la revue Matériaux avancésdans un article de Shaolou Wei ScD, du professeur C. Cem Tasan, du postdoctorant Kyung-Shik Kim et de John Foltz d’ATI Inc. Les améliorations, explique l’équipe, proviennent de l’adaptation de la composition chimique et de la structure en treillis de l’alliage, tout en ajustant les techniques de traitement utilisées pour produire le matériau à l’échelle industrielle.

Les alliages de titane sont importants en raison de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles, de leur résistance à la corrosion et de leur légèreté par rapport aux aciers par exemple. Cela est dû à une sélection rigoureuse des éléments d’alliage et de leurs proportions relatives, ainsi qu’à la manière dont le matériau est traité.

« Vous pouvez créer différentes structures, ce qui crée un vaste terrain de jeu pour vous permettre d’obtenir de bonnes combinaisons de propriétés, à la fois pour les températures cryogéniques et élevées », explique Tasan.

Mais ce large éventail de possibilités nécessite à son tour de trouver un moyen de guider les sélections pour produire un matériau qui réponde aux besoins spécifiques d’une application particulière. L’analyse et les résultats expérimentaux décrits dans la nouvelle étude fournissent ces indications.

La structure des alliages de titane, jusqu’à l’échelle atomique, détermine leurs propriétés, explique Tasan. Et dans certains alliages de titane, cette structure est encore plus complexe, composée de deux phases différentes entremêlées, appelées phases alpha et bêta.

« La stratégie clé de cette approche de conception consiste à prendre en compte différentes échelles », explique-t-il. « L’une d’entre elles est la structure du cristal individuel. Par exemple, en choisissant soigneusement les éléments d’alliage, on peut obtenir une structure cristalline plus idéale de la phase alpha qui permet des mécanismes de déformation particuliers. L’autre échelle est l’échelle polycristalline, qui implique des interactions entre les phases alpha et bêta. L’approche suivie ici implique donc des considérations de conception pour les deux. »

Outre le choix des matériaux d’alliage et des proportions appropriés, les étapes de fabrication se sont révélées jouer un rôle important. L’équipe a découvert qu’une technique appelée laminage croisé est un autre élément clé pour obtenir une combinaison exceptionnelle de résistance et de ductilité.

En collaboration avec des chercheurs d’ATI, l’équipe a testé une variété d’alliages au microscope électronique à balayage pendant leur déformation, révélant des détails sur la façon dont leurs microstructures réagissent à une charge mécanique externe. Ils ont découvert qu’un ensemble particulier de paramètres (composition, proportions et méthode de traitement) produisait une structure dans laquelle les phases alpha et bêta partageaient la déformation de manière uniforme, atténuant la tendance à la fissuration susceptible de se produire entre les phases lorsqu’elles réagissent différemment.

« Les phases se déforment en harmonie », explique Tasan. Cette réponse coopérative à la déformation peut donner un matériau de qualité supérieure, ont-ils découvert.

« Nous avons étudié la structure du matériau pour comprendre ces deux phases et leurs morphologies, et nous avons étudié leur composition chimique en effectuant une analyse chimique locale à l’échelle atomique. Nous avons adopté une grande variété de techniques pour quantifier diverses propriétés du matériau sur plusieurs échelles de longueur », explique Tasan, qui est professeur de science et d’ingénierie des matériaux à POSCO et professeur associé de métallurgie.

« Lorsque nous examinons les propriétés globales » des alliages de titane produits selon leur système, « les propriétés sont vraiment bien meilleures que celles des alliages comparables. »

Il s’agissait d’une recherche universitaire soutenue par l’industrie visant à prouver les principes de conception d’alliages pouvant être produits commercialement à grande échelle, selon Tasan.

« Ce que nous faisons dans le cadre de cette collaboration vise réellement à une compréhension fondamentale de la plasticité cristalline. Nous démontrons que cette stratégie de conception est validée et nous démontrons scientifiquement comment elle fonctionne », ajoute-t-il, notant qu’il reste encore beaucoup à faire pour de nouvelles améliorations.

Quant aux applications potentielles de ces découvertes, dit-il, « pour toute application aérospatiale où une combinaison améliorée de résistance et de ductilité est utile, ce type d’invention offre de nouvelles opportunités. »

Cet article est republié avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.