Les matériaux composés de niobium, de tantale, de titane et d'hafnium présentent des propriétés étonnantes.
Une équipe de chercheurs américains a mis au point un alliage métallique composé de niobium, de tantale, de titane et d'hafnium qui surpasse d'autres matériaux par ses performances. propriétés inhabituelles. Le Nb45Ta25Ti15Hf15, comme on l'appelle, a un aspect spectaculaire au microscope et peut résister à la chaleur et au froid extrêmes sans se déformer, se fissurer ou se briser de façon permanente. – une combinaison qui, selon les scientifiques, semblait auparavant presque impossible à réaliser. Cette énorme résistance pourrait constituer une première étape dans le développement de la prochaine génération de moteurs aérospatiaux très efficaces, car les températures de fonctionnement les plus élevées possibles sont requises dans ce domaine d'application. Plus la température à laquelle le carburant est brûlé est élevée, plus la chaleur est efficacement convertie en électricité ou en poussée, explique l'auteur principal, David Cook, du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Les matériaux capables de résister à cette température sont toutefois limités. Les matériaux actuels ne pouvant plus être optimisés pour les hautes températures, il existe un grand besoin de nouveaux matériaux métalliques, explique David Cook.
Les quatre métaux sont déjà composants communs des superalliages, Le matériau mis au point par les chercheurs américains appartient à une nouvelle catégorie, celle des alliages réfractaires à entropie élevée ou moyenne (RHEAs/RMEAs). Le matériau mis au point par les chercheurs américains appartient à une nouvelle catégorie, celle des alliages réfractaires à entropie élevée ou moyenne (RHEAs/RMEAs). Contrairement à de nombreux alliages conventionnels, qui se composent d'un métal principal et de petites quantités d'autres éléments, ces alliages sont produits en mélangeant des quantités presque égales d'éléments métalliques à des températures de fusion très élevées. Cela leur confère des propriétés uniques qui font actuellement l'objet de recherches intensives et n'ont pas encore été totalement élucidées.
20 fois plus résistant que l'acier cryogénique
L'équipe dirigée par le responsable de l'étude, Robert Ritchie, du Berkeley Lab, a également eu une surprise au cours de ses travaux. Grâce à leurs travaux antérieurs sur les RHEA et les RMEA, les chercheurs savaient que ces matériaux sont très résistants, mais qu'ils font partie des métaux les plus fragiles. Ils ont été carrément choqués de constater que le Nb45Ta25Ti15Hf15, en revanche, présentait une ténacité exceptionnelle, explique Punit Kumar, l'auteur de l'étude. Le nouvel alliage est plus de 25 fois plus résistant que les RMEA typiques à température ambiante et même 20 fois plus résistant que les aciers dits cryogéniques, qui sont durcis par un froid extrême et spécialement conçus pour résister aux fractures.
La vue au microscope électronique à balayage montre l'alliage à -196 degrés Celsius avec des bandes de déformation qui se sont formées près d'une pointe de fissure. Les bandes de déformation sont un type de défaut dans la structure du matériau et, dans ce cas, sont responsables de la ténacité inhabituelle de l'alliage.
Photo : Berkeley Lab
Les scientifiques ont évalué la résistance et la ténacité du matériau à cinq températures : -196 degrés Celsius - la température de l'azote liquide - 25 degrés Celsius, c'est-à-dire la température ambiante, 800, 950 et 1 200 degrés Celsius - cette dernière correspondant à environ un cinquième de la température de surface du soleil. Bien que l'alliage ait montré la plus grande résistance à basse température, les valeurs sont restées “impressionnantes” à des températures plus élevées. La résistance aux fissures était élevée à toutes les températures.
Des recherches menées à l'aide de microscopes électroniques ont finalement permis d'élucider l'origine des propriétés inhabituelles du Nb45Ta25Ti15Hf15. Selon le communiqué de presse du Berkeley Lab, un défaut dans la structure du matériau, qui était supposé favoriser les fractures, a en fait l'effet inverse et est responsable de la haute ténacité.
Toutefois, selon M. Ritchie, de nombreux travaux de recherche fondamentale et des essais techniques sont encore nécessaires avant que l'alliage puisse être utilisé dans des unités de propulsion d'avions ou de fusées. Cependant, l'étude montre que le métal a du potentiel pour les futurs moteurs.
Plus d'innovation: Le hafnium pourrait également jouer un rôle décisif dans une autre technologie d'avenir en tant que composant de l'acier. un autre alliage nouvellement développé qui pourrait ouvrir la voie au “Saint Graal de la production d'énergie”, la fusion nucléaire.
Image en vedette : Berkeley Lab
