Une équipe sino-américaine crée l'alliage de titane le plus résistant au monde grâce à la technologie d'impression 3D, ce qui représente une « percée significative »

L’Académie chinoise des sciences (CAS) a salué cette réalisation – détaillée dans une étude publiée mercredi par la revue Nature – comme une « percée significative » dans la science des matériaux.

La recherche était une collaboration entre Zhang Zhenjun et Zhang Zhefeng, du Laboratoire national de science des matériaux de Shenyang du CAS Institute of Metal Research, et Robert Ritchie de l'Université de Californie à Berkeley.

Selon l’article évalué par des pairs, l’étude a été conçue en Chine et les échantillons y ont également été produits. Ritchie a participé au processus de révision du manuscrit.

Bien que l’impression 3D – également connue sous le nom de fabrication additive (FA) – ait révolutionné la fabrication, le processus a été d’une utilité limitée pour fabriquer des composants nécessitant un niveau élevé de tolérance à la fatigue.

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L’impression 3D métal utilise des lasers pour faire fondre la poudre de métal et l’accumuler sous des formes spécifiques et complexes avec des cycles de préparation réduits – parfait pour la fabrication rapide d’objets volumineux et complexes.

Cependant, la chaleur élevée générée par les puissants faisceaux laser généralement utilisés dans l'impression conduit souvent à la formation de pores de gaz à l'intérieur des pièces, ce qui compromet les performances de l'alliage.

Ces microvides peuvent servir de points focaux pour la concentration des contraintes, initiant prématurément des fissures et facilitant leur propagation, diminuant ainsi la durée de vie en fatigue du matériau.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont entrepris de produire un alliage de titane exempt de pores. Ils ont développé un procédé utilisant le Ti-6Al-4V, un alliage titane-aluminium-vanadium, atteignant à ce jour la tolérance à la fatigue la plus élevée parmi tous les alliages de titane.

« Notre théorie postulait qu'idéalement, les alliages imprimés dans des conditions parfaites devraient présenter des performances de fatigue supérieures », a déclaré Zhang Zhenjun dans une interview accordée au South China Morning Post.

« Atteindre cet objectif semblait simple à première vue. Pourtant, la simplicité de la tâche était trompeuse. Les techniques actuellement utilisées pour éliminer les pores de gaz aboutissent souvent à une structure interne plus grossière de l'alliage », a-t-il déclaré.

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« Résoudre ce problème sans réintroduire les pores ou d’autres effets indésirables s’est avéré un véritable défi. Nous avons développé une nouvelle technique appelée traitement Net-AM qui imprime à haute température.

Selon Zhang, le processus commence par un pressage isostatique à chaud pour éliminer les pores de gaz, suivi d'un refroidissement rapide avant qu'une quelconque altération de la structure interne de l'alliage ne puisse se produire.

L’utilisation de ce processus a donné un alliage sans pores avec une amélioration de 106 pour cent de la résistance à la fatigue en traction – de 475 MPa traditionnels à 978 MPa – un record mondial.

« Cette réalisation est très prometteuse pour les industries exigeant des matériaux légers, telles que l'aérospatiale et les véhicules à énergies nouvelles », a déclaré Zhang.

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Jusqu'à présent, le matériau n'a été produit qu'à l'échelle d'un échantillon, sous la forme d'un haltère dont la section la plus fine mesure 3 mm (environ 0,118 po), ce qui est trop petit pour la plupart des applications réelles.

Bien que la technologie soit encore en phase expérimentale, elle offre déjà de grandes perspectives d'application, selon Zhang.

« Les sections plus épaisses seraient confrontées à des limitations de transfert de chaleur pendant le traitement. Néanmoins, ces progrès sont suffisants pour la fabrication de nombreux dispositifs plus fins et complexes », a-t-il déclaré.

Selon le site Internet du CAS, de nombreuses pièces d'aviation – notamment les tuyères de fusée de la Nasa, les cadres de support du chasseur chinois J-20 et les buses de carburant de l'avion chinois C919 – ont été fabriquées à l'aide de la technologie d'impression 3D.

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Avec une future mise à l’échelle, la technologie pourrait être prête pour une application industrielle généralisée, mais il reste à voir si son développement continuera à attirer une collaboration internationale.

La coopération entre la Chine et les États-Unis tend à être rare une fois qu’une technologie est suffisamment développée pour être appliquée à des utilisations militaires ou aérospatiales plus spécifiques.

Zhang a déclaré qu'en plus des réalisations de l'équipe, « cette étude inspire également de nouvelles orientations de recherche pour la technologie actuelle de fabrication additive ».

« Le point de vue selon lequel les microstructures FA sans vides ont une résistance à la fatigue exceptionnellement élevée devrait s'appliquer non seulement aux alliages de Ti, mais également être étendu à d'autres systèmes de matériaux métalliques ».