L’union improbable du bronze et de l’acier imprimés en 3D est prometteuse pour les moteurs à réaction

L'union improbable du bronze et de l'acier imprimés en 3D est prometteuse pour les moteurs à réaction

Alternance de régions de bronze et d’acier dans l’alliage bronze-acier produit par les chercheurs de Skoltech. La distance correspondant à une unité sur la règle superposée est de 0,1 millimètre. Crédit : Konstantin Makarenko et al./Materials & Design.

Les chercheurs de Skoltech ont utilisé une imprimante 3D pour fabriquer des échantillons d’alliages de bronze et d’acier jusque-là inconnus de la science des matériaux et ont étudié leurs caractéristiques mécaniques. Alliant les propriétés distinctes du bronze et de l’acier, les nouveaux alliages pourraient être utilisés pour fabriquer des chambres de combustion pour les moteurs d’avions et de fusées qui bénéficieraient simultanément de la capacité de l’acier à résister à des températures extrêmes et de la capacité du bronze à évacuer la chaleur de la chambre et ainsi empêcher le moteur de la surchauffe. L’étude est publiée dans Matériaux et conception.

“L’impression 3D est prometteuse pour la fabrication de pièces composites, dotées des propriétés des deux matériaux distincts qui composent le composite”, a expliqué le professeur associé Igor Shishkovsky de Skoltech Materials.

“Considérez, par exemple, que l’acier résiste aux températures élevées créées par la combustion du carburant dans un moteur en marche. C’est très bien, mais comparé au bronze, l’acier est un conducteur thermique modeste, de sorte que le liquide de refroidissement du moteur ne peut pas siphonner la chaleur de celui-ci car efficacement pour éviter la surchauffe et les dommages.Eh bien, avec l’impression 3D, vous pouvez réellement obtenir le meilleur des deux mondes en fabriquant une chambre de combustion qui passe de manière transparente du bronze à l’intérieur pour une meilleure gestion de la température à l’acier à l’extérieur pour maintenir la structure ensemble.”

Shishkovsky était le chercheur principal de l’étude qui a rapporté la toute première synthèse d’un alliage bronze-acier à l’aide d’une technique d’impression 3D appelée dépôt laser direct, qui fond et fusionne des ingrédients en poudre par un faisceau laser à chaque point successif de la partie métallique juste au fur et à mesure de sa création.

L'union improbable du bronze et de l'acier imprimés en 3D est prometteuse pour les moteurs à réaction

Une barre verticale faite d’un alliage quasi-homogène bronze-acier fabriqué par les chercheurs. Crédit : Konstantin Makarenko/Skoltech.

En fait, l’équipe de Skoltech a combiné le bronze et l’acier de deux manières différentes, obtenant à la fois des alliages dits quasi homogènes et des structures en sandwich. Dans le premier cas, les deux matériaux sont mélangés plus ou moins uniformément dans tout l’échantillon, tandis que le second consiste en une série de couches alternées de bronze et d’acier de 0,25 millimètre d’épaisseur. Les chercheurs ont utilisé un type d’acier mais ont fait varier sa teneur dans l’alliage de 25% à 50% et ont expérimenté trois variétés communes différentes de bronze.

L’étude a confirmé que les deux matériaux fusionnaient bien, sans formation de défauts. L’équipe a étudié les propriétés structurelles et mécaniques de l’alliage bronze-acier en développant des barres verticales de bas en haut et en examinant leur forme, leur composition chimique et leur microstructure. “En cas de problème, la forme de l’échantillon peut être visiblement déformée ou se fracturer en couches lors de l’impression 3D. Cela signifie généralement que les matériaux utilisés ne sont pas adaptés ou que les conditions n’ont pas été correctement définies”, a expliqué Shishkovsky.

Ne trouvant aucun problème à ce stade, les chercheurs ont procédé à la découpe de minuscules morceaux de différentes parties des échantillons et ont étudié leur structure interne avec une microscopie optique et électronique à balayage. Les principales caractéristiques mécaniques ont ensuite été obtenues dans une large gamme d’essais mécaniques de composites sandwichs poursuivis jusqu’à leur destruction. Ces propriétés sont signalées pour la première fois.

L'union improbable du bronze et de l'acier imprimés en 3D est prometteuse pour les moteurs à réaction

Voici un exemple d’échantillon de métal pour essais mécaniques. En le soumettant à des contraintes, les chercheurs mesurent la résistance du matériau, identifient les points faibles, tels que les points rouges sur la carte des contraintes, et déterminent les principaux modes de défaillance. Crédit : Konstantin Makarenko/Skoltech.

Le premier auteur de l’étude, Konstantin Makarenko, un doctorat de quatrième année. étudiant de Skoltech Materials, a déclaré : “Maintenant que nous avons confirmé que l’acier et le bronze peuvent être combinés dans un alliage et sont compatibles avec l’impression 3D par dépôt laser direct, et que nous connaissons les caractéristiques mécaniques du nouveau matériau, nous pouvons explorer son potentiel applications.

“Pour l’avenir, j’aimerais fabriquer et tester une chambre de combustion acier-bronze chez Skoltech, mais au-delà, d’autres éléments sont possibles et d’autres combinaisons de métaux pourraient être utilisées. La prochaine étape serait de créer des aubes de turbine en superalliage renforcé. avec des canaux de refroidissement en bronze. Il s’agit de combiner les avantages de deux matériaux distincts dans un seul produit sans soudure ni autres jonctions.”

Plus d’information:
Konstantin I. Makarenko et al, Caractéristiques mécaniques des structures sandwich déposées au laser et des alliages quasi homogènes du système Fe-Cu, Matériaux et conception (2022). DOI : 10.1016/j.matdes.2022.111313

Fourni par l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo

Citation: L’union improbable du bronze et de l’acier imprimés en 3D est prometteuse pour les moteurs à réaction (9 janvier 2023) récupéré le 9 janvier 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-01-union-3d-printed-bronze-steel- jet.html

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