Une nouvelle ère pour le titane (2)
Des stratégies de conception qui interrompent le processus de brassage des atomes d’oxygène ou favorisent les nanostructures pour empêcher l’accumulation de glissements planaires pourraient conduire à de meilleurs alliages. Ces alliages auraient des applications, notamment dans les industries automobile et aérospatiale, explique Minor.
Titane nanojumelé cryoforgé
Le professeur Andrew Minor verse de l'azote liquide sur un échantillon de titane, démontrant le processus de cryoforgeage utilisé pour créer du titane nanojumelé dans son laboratoire. (Photo par Adam Lau / Berkeley Engineering)
Pour résoudre ces problèmes et d’autres, l’équipe s’appuie sur un mélange de modélisation informatique, de microscopie électronique à transmission (TEM) et d’autres modalités d’imagerie et d’expériences.
"L'un des aspects intéressants de ce projet est que parfois les informaticiens et les théoriciens sont un peu en avance, et d'autres fois, ce sont les expérimentateurs", explique Asta. "Nous nous rencontrons fréquemment et discutons de nos découvertes et de nos nouvelles idées."
L'étude de l'équipe sur la sensibilité du titane à l'oxygène, par exemple, a conduit à une étude du titane allié à l'aluminium et à l'oxygène. Ils ont découvert que la fragilisation par l'oxygène pouvait être éliminée en ajoutant de petites quantités d'aluminium, en particulier à des températures cryogéniques inférieures à -150 degrés Celsius.
Avec juste les bonnes quantités d'aluminium et d'oxygène, selon l'équipe, un nouvel ordre de la structure cristalline du titane a empêché un mélange d'atomes d'oxygène qui conduirait à un empilement dommageable de luxations et finalement à des fractures. De plus, étant donné que l'introduction de l'aluminium a réduit globalement la sensibilité du titane à l'oxygène, les coûts de traitement pour créer un métal utilisable seraient également réduits.
Dans une autre étude, l'équipe a examiné des recherches remontant aux années 1960 montrant que de nombreux métaux et alliages affichent une augmentation spectaculaire de leur ductilité lorsqu'ils sont soumis à des impulsions électriques périodiques lors de la déformation du métal. Cependant, les mécanismes sous-jacents expliquant pourquoi cette soi-disant électroplasticité pourrait être vraie ne sont pas clairs.
"L'électroplasticité peut entraîner une réduction des coûts du traitement métallurgique, car il faut moins d'énergie pour former un métal avec des impulsions électriques que pour chauffer l'ensemble du métal à une température élevée pour obtenir la même formabilité", explique Minor. "Il est intéressant de noter que cet effet de l'électroplasticité est universel dans la mesure où il a été démontré qu'il fonctionne pour pratiquement tous les métaux, pas seulement pour le titane."
L'équipe a effectué des tests de traction du métal dans trois conditions différentes : à température ambiante sans courant électrique, avec une impulsion électrique périodique d'une durée de 100 millisecondes et avec un courant constant. Étant donné que l’application d’un courant électrique chauffe le métal, l’équipe s’est inquiétée de la distinction entre les effets provoqués uniquement par l’électricité et ceux provoqués par la chaleur.
Leurs résultats ont montré que, malgré l’utilisation d’une impulsion périodique plus petite que celle des études précédentes, la méthode du courant pulsé améliorait l’allongement en traction de l’alliage de titane ainsi que sa résistance maximale. Ils notent que cet effet était spécifique uniquement à l’expérience à courant pulsé.
À l'aide du TEM pour observer les changements dans la structure cristalline du métal, leurs résultats suggèrent que le traitement par courant pulsé supprime les dislocations par glissement planaire. Les chercheurs ont découvert que l'impulsion électrique durcit le matériau et empêche le développement d'un glissement planaire en maintenant un motif de dislocation 3D diffus qui offre finalement une résistance et une ductilité élevées.
(À suivre)