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Identification d’alliages à haute performance pour l’espace grâce à la puissance de calcul concentrée sur les grains nanométriques

Les ingénieurs en aéronautique d’aujourd’hui conçoivent des missions d’une complexité sans commune mesure avec celle du vol de Dédale et d’Icare qui cherchaient à s’échapper du labyrinthe du Minotaure. Un nouvel outil informatique de criblage haut débit les aidera à concevoir les alliages à haute performance dont leurs missions ont besoin.

Espace

Au-dessus de l’atmosphère isolante de la Terre, les satellites et les vaisseaux spatiaux sont confrontés à des environnements très hostiles, balayés par des rayonnements dangereux et où il règne une chaleur ou un froid extrêmes. Des matériaux avancés et des procédés de fabrication connexes sont nécessaires pour assurer l’intégrité à long terme des systèmes spatiaux, ainsi que la sécurité des astronautes. La variété des matériaux étant pratiquement infinie, la puissance de la modélisation informatique revêt une importance capitale pour le développement. Le projet ICARUS, financé par l’UE, a mis au point les outils numériques pour concevoir des alliages métalliques nanocristallins thermodynamiquement stables et a fait la démonstration de leur utilité dans des matériaux présentant un certain intérêt pour les applications aérospatiales.

Stabiliser la structure nanocristalline des alliages

Les alliages, ces substances métalliques composées de deux ou plusieurs éléments, sont largement utilisés dans l’industrie aérospatiale afin d’intégrer les meilleures propriétés de différents métaux. De façon intuitive et à l’instar de la production de grains plus gros (cristallites ou minuscules cristaux) qui donnent naissance à des pores plus gros entre les grains, le grossissement est un facteur important dont il faut tenir compte dans l’utilisation d’alliages nanocristallins. Les joints de grains sont la clé du grossissement, car ils augmentent l’énergie libre de Gibbs (G) excédentaire du système. La croissance des grains est la conséquence de la force motrice thermodynamique visant à réduire cet excédent. La stabilisation thermodynamique élimine la force motrice et, partant, la croissance et le grossissement des grains, à travers une sélection appropriée des alliages.

Le criblage haut débit met l’accent sur les meilleurs candidats

Si la stabilisation thermodynamique est commandée par un concept simple, Nicolas A. Cordero, coordinateur du projet, illustre sa complexité dans la pratique: «Envisageons le cas des alliages binaires (constitués de deux éléments). Si nous choisissons seulement 10 éléments majoritaires intéressants et cinq éléments minoritaires intéressants, nous obtenons 50 combinaisons possibles. Si nous voulons étudier 10 compositions en pourcentage différentes et tester la stabilité thermique de chacune d’entre elles à 10 températures, nous nous retrouvons avec 5 000 systèmes et conditions à analyser expérimentalement.» ICARUS a mis au point un outil de criblage haut débit permettant de résoudre ce problème. ICARUS est parvenu à relever les défis que pose la combinaison de la thermodynamique classique et statistique et a produit un modèle unifié permettant d’explorer la surface de l’énergie libre de Gibbs. Il est capable d’identifier les alliages nanocristallins thermodynamiquement stables sur la base de données physiques et chimiques connues. La fabrication de spécimens candidats a permis de valider le modèle et d’améliorer les techniques actuelles de création de poudre nanocristalline et de frittage de composants solides.

L’innovation d’ICARUS prend son envol

L’outil de criblage haut débit d’ICARUS permettra aux ingénieurs de créer des alliages nanocristallins répondant aux objectifs prioritaires du Conseil consultatif pour la recherche aéronautique en Europe. Il s’agit, entre autres, d’améliorer la résistance aux rayonnements grâce à des mécanismes d’autoréparation, d’améliorer la résistance thermique grâce à une forte conduction thermique et à une faible dilatation thermique, et d’obtenir une résistance mécanique élevée alliant poids minimal et performances élevées pour une consommation de carburant réduite. Les résultats sont communiqués de différentes façons, notamment par le biais de pages sur les médias sociaux, de vidéos, de brochures et affiches et de bulletins d’information, ainsi qu’à l’occasion de deux ateliers et d’une série de conférences scientifiques et de publications scientifiques en libre accès. M. Cordero résume: «ICARUS a mis au point des outils informatiques capables de prédire la stabilité thermique des alliages nanostructurés, offrant ainsi un moyen pratique de cribler les alliages adaptés à des tests expérimentaux. Seule cette interaction entre théorie et expérience permet de produire les matériaux innovants nécessaires aux applications spatiales d’aujourd’hui et de demain.» Un projet parallèle, ICARUS-SW, est en cours pour ouvrir la voie à l’exploitation du code d’ICARUS.

Mots‑clés

ICARUS, alliages, nanocristallin, thermique, grossissement, grain, aérospatiale, thermodynamique, informatique, criblage haut débit, énergie libre de Gibbs, rayonnement, espace, frittage, poudre

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