L'équipe utilise l'impression 3D pour renforcer un matériau clé dans l'aérospatiale, l'énergie

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Les matériaux essentiels à de nombreuses applications importantes dans l'aérospatiale et la production d'énergie doivent être capables de résister à des conditions extrêmes telles que des températures élevées et des contraintes de traction sans défaillance. Aujourd'hui, une équipe d'ingénieurs dirigée par le MIT rapporte un moyen simple et peu coûteux de renforcer l'un des principaux matériaux utilisés aujourd'hui dans de telles applications.

De plus, l'équipe pense que leur approche générale, qui implique l'impression 3D d'une poudre métallique renforcée avec des nanofils de céramique, pourrait être utilisée pour améliorer de nombreux autres matériaux. "Il y a toujours un besoin important de développement de matériaux plus performants pour les environnements extrêmes. Nous pensons que cette méthode a un grand potentiel pour d'autres matériaux à l'avenir", déclare Ju Li, professeur de Battelle Energy Alliance en génie nucléaire et professeur en Département de science et génie des matériaux (DMSE) du MIT.

Li, qui est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux (MRL), est l'un des trois auteurs correspondants d'un article sur les travaux paru dans le numéro du 5 avril d'Additive Manufacturing. Les autres auteurs correspondants sont le professeur Wen Chen de l'Université du Massachusetts à Amherst et le professeur A. John Hart du département de génie mécanique du MIT.

Les co-premiers auteurs de l'article sont Emre Tekoğlu, post-doctorant du MIT au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires (NSE); Alexander D. O'Brien, étudiant diplômé en SNG; et Jian Liu de l'UMass Amherst. Les autres auteurs sont Baoming Wang, un post-doctorant du MIT en DMSE ; Sina Kavak de l'Université technique d'Istanbul ; Yong Zhang, spécialiste de recherche au MRL ; Alors Yeon Kim, étudiante diplômée DMSE; Shitong Wang, étudiante diplômée en SNG; et Duygu Agaogullari de l'Université technique d'Istanbul.

Vers de meilleures performances

L'approche de l'équipe commence avec l'Inconel 718, un "superalliage" populaire ou un métal capable de résister à des conditions extrêmes telles que des températures de 700 degrés Celsius (environ 1 300 degrés Fahrenheit). Ils broient des poudres commerciales d'Inconel 718 avec une petite quantité de nanofils de céramique, ce qui entraîne "la décoration homogène de nano-céramique sur les surfaces des particules d'Inconel", écrit l'équipe.

La poudre obtenue est ensuite utilisée pour créer des pièces par fusion laser sur lit de poudre, une forme d'impression 3D. Ce processus consiste à imprimer de fines couches de poudre qui sont chacune exposées à un laser qui se déplace à travers la poudre, la faisant fondre selon un motif spécifique. Ensuite, une autre couche de poudre est étalée sur le dessus, et le processus se répète avec le déplacement du laser pour faire fondre le motif de la nouvelle couche et le lier avec la couche en dessous. Le processus global peut produire des pièces 3D compliquées.

Les chercheurs ont découvert que les pièces fabriquées de cette manière avec leur nouvelle poudre avaient nettement moins de porosité et moins de fissures que les pièces en Inconel 718 seul. Et cela, à son tour, conduit à des pièces nettement plus solides qui présentent également un certain nombre d'autres avantages. Par exemple, ils sont plus ductiles - ou extensibles - et ont une bien meilleure résistance aux radiations et aux charges à haute température.

De plus, le processus lui-même n'est pas cher car "il fonctionne avec les machines d'impression 3D existantes. Utilisez simplement notre poudre et vous obtiendrez de bien meilleures performances", déclare Li.

Xu Song, professeur assistant à l'Université chinoise de Hong Kong qui n'a pas participé aux travaux, commente : « Dans cet article, les auteurs proposent une nouvelle méthode pour imprimer des composites à matrice métallique d'Inconel 718 renforcés par des nanofils [céramiques]. La dissolution in situ de la céramique induite par le processus de fusion au laser a amélioré la résistance thermique et la résistance de l'Inconel 718. De plus, les renforts in situ ont réduit la taille des grains et éliminé les défauts.Future impression 3D d'alliages métalliques, y compris la modification pour le cuivre à haute réflectivité et la suppression des fractures pour les superalliages, peuvent clairement bénéficier de cette technique."

Un nouvel espace immense

Li dit que le travail "pourrait ouvrir un nouvel espace énorme pour la conception d'alliages" car le taux de refroidissement des couches ultrafines d'alliages métalliques imprimés en 3D est beaucoup plus rapide que le taux des pièces en vrac créées à l'aide de procédés conventionnels de solidification par fusion. En conséquence, "de nombreuses règles sur la composition chimique qui s'appliquent à la coulée en vrac ne semblent pas s'appliquer à ce type d'impression 3D. Nous avons donc un espace de composition beaucoup plus grand à explorer pour le métal de base avec des ajouts de céramique".

Emre Tekoğlu, l'un des principaux auteurs de l'article sur la fabrication additive, déclare : "Cette composition a été l'une des premières que nous ayons décidée, il était donc très excitant d'obtenir ces résultats dans la vie réelle. Il reste encore un vaste espace d'exploration. Nous continuerons à explorer de nouvelles formulations de composites Inconel pour aboutir à des matériaux capables de résister à des environnements plus extrêmes."

Alexander O'Brien, un autre auteur principal, déclare : « La précision et l'évolutivité qui accompagnent l'impression 3D ont ouvert un monde de nouvelles possibilités pour la conception de matériaux. Nos résultats ici sont une première étape passionnante dans un processus qui aura sûrement un impact majeur. impact sur la conception pour le nucléaire, l'aérospatiale et toute la production d'énergie à l'avenir."

Ce travail a été soutenu par Eni SpA par le biais de la MIT Energy Initiative, de la National Science Foundation et de l'ARPA-E.

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