Imagerie 3D révolutionnaire révèle des fissures cachées dans les alliages à base de nickel

• Pour la première fois, des chercheurs développent une technique pour capturer des images 3D de fissures microscopiques dans les alliages de nickel causées par l'hydrogène ou l'eau.
• Cela aidera les ingénieurs à développer des microstructures à durée de vie prolongée, réduisant les coûts de réparation et de remplacement.

Les microfissures dans les alliages métalliques sont invisibles à l'œil nu, mais elles peuvent s'étendre à d'autres régions lorsqu'elles sont exposées à l'hydrogène ou à l'eau, entraînant de graves problèmes dans les centrales nucléaires, les technologies électrochimiques, de stockage d'hydrogène et les structures comme les ponts et les gratte-ciel.

Habituellement, la fragilisation par l'hydrogène (HE) des alliotes se manifeste par des fractures inattendues et une perte de ductilité causant un spectre sans cesse croissant de défaillances matérielles. Comme l'intensité de la HE augmente avec la résistance du métal, les alliages avancés (comme l'alliage de nickel) sont plus sensibles à la HE. Pour prédire et prévenir la HE, il faut une connaissance détaillée de ses origines physiques.

Récemment, des chercheurs du MIT et du LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) ont développé une technique pour capturer des images tridimensionnelles de fissures microscopiques dans les alliages causées par la fragilisation par l'hydrogène. Ces images peuvent être utilisées pour détecter différentes frontières de grains ou orientations de structures microscopiques qui peuvent détourner les fractures et prévenir les dommages assistés par l'hydrogène ou l'eau.

Comment ont-ils fait ?

La nouvelle technique – la cartographie 3D de la microstructure – repose sur des méthodes de diffraction et de tomographie aux rayons X basées sur le synchrotron pour analyser les fissures d'alliage de nickel causées par l'hydrogène/l'eau.

Si vous voulez analyser précisément comment les fissures métalliques se propagent, vous devez simuler le problème en trois dimensions. Vous avez également besoin de suffisamment de données sur la morphologie de la fissure et sa relation avec la microstructure.

Pour réaliser une évaluation non destructive, les auteurs ont fait briller des faisceaux de rayons X de haute intensité sur des alliages de nickel fissurés. Ils ont placé une caméra pour capturer tous les faisceaux transmis et diffractés. Ensuite, ils ont testé des centaines de milliers d'orientations de structure microscopique et examiné des millions de points.

Référence : Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-05549-y | LLNL

Crédit image : Dharmesh Patel / Texas A&M University

En alignant les données avec des modèles physiques, ils ont transformé les points de diffraction en une image tridimensionnelle de la microstructure. Cette image 3D montre quels types de frontières de grains pourraient dévier les fissures, et les résultats suggèrent que les BLIPS (frontières à plans d'indices bas) sont résistants aux dommages.

Comment cela est-il utile ?

La technologie peut apporter des avancées aux techniques de traitement des métaux visant à arrêter la propagation des fissures dans les alliages de nickel. Cela renforcerait les matériaux et augmenterait leur durée de vie pour les composants et structures.

Plus spécifiquement, elle pourrait améliorer les prédictions des réponses mécaniques des alliages HE. Les frontières de grains néfastes peuvent être éliminées lors de la conception d'alliages pour ajouter des obstacles aux fractures et les empêcher de se propager.

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De plus, les données obtenues à partir des images 3D aideront les ingénieurs à développer des microstructures efficaces avec une durée de vie prolongée, économisant les coûts de réparation/remplacement. Pour augmenter la durée de vie, la microstructure doit être traitée avec de grandes quantités de BLIPS, qui dévieraient ou émousseraient les fissures de manière plus efficace.