De nouveaux matériaux métalliques combinent résistance mécanique et ductilité

Les verres métalliques sont des alliages de structure amorphe désordonnée, et non cristalline, dotés d'une forte résistance mécanique (limite élastique), mais très peu ductile : ils cassent brutalement lorsqu’ils sont soumis à une contrainte trop forte, avec la propagation d'une bande de cisaillement qui localise la déformation plastique et qui aboutit rapidement à la rupture. Pour résoudre ce problème, il manquait jusqu'ici une méthode permettant de contrôler les hétérogénéités locales- chimiques et structurales, qui empêchent la propagation de ces bandes de cisaillement (shear bands, SB).

Des recherches menées par une équipe du Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux (LSPM, CNRS/Université Sorbonne Paris Nord), incluant les doctorants Andrea Brognara et Francesco Bignoli, encadrés par Matteo Ghidelli, montrent qu'il est possible de combiner la résistance mécanique et la ductilité, souvent exclusives l'une de l'autre, grâce à des matériaux constitués d'un assemblage de couches minces de verres métalliques. Ces travaux, qui ont donné lieu à deux publications, ont été effectués dans le cadre de collaborations internationales, avec notamment, en Allemagne, le Max Planck Institute for Sustainable Materials et le Karlsruhe Institute of Technology, et l’Ecole Polytechnique de Milan (Italie).

Une première publication, dans la revue Small Structures, porte sur des couches minces de verre métallique d'un alliage de zirconium et de cuivre (ZrCu). Les chercheurs ont réalisé, par pulvérisation magnétron1 , des empilements multicouches entièrement amorphes de compositions Zr₂₄Cu₇₆/Zr₆₁Cu₃₉ avec l’épaisseur de ce motif périodique pouvant varier de 5 à 400 nm. Dans ce nanocomposite, le contrôle fin des hétérogénéités chimiques locales et des interfaces entre les couches permet de limiter la propagation des bandes de cisaillement. L’étude du comportement mécanique avec des techniques de pointe in situ au microscope électronique à balayage (MEB) a permis de montrer que cette nanoarchitecture possède des propriétés ajustables, et peut combiner une haute limite élastique (2 GPa) avec un taux de déformation élasto-plastique de 16% en compression.

D'autres travaux, publiés dans ACS Applied Materials & Interfaces, ont concerné cette fois des nanocomposites cristal/verre, dans lesquels une couche mince (4 nm) d'aluminium (Al) cristallin sépare les couches de verre métallique ZrCu (6 et 9 nm). Ils sont fabriqués par ablation laser pulsé2 (Pulsed laser deposition, PLD), une technique qui permet de créer des structures ultra-fines et nanogranulaires (croissance d’agrégats ou « cluster-assembled »). Ces matériaux sont capables d'atteindre simultanément une limite élastique de 3,4 GPa et une déformation plastique de 6% à 15%, largement plus élevées que celles des matériaux monolithiques, et des autres matériaux multicouches produit par pulvérisation cathodique déjà présentés dans la littérature scientifique de référence. 

Ces nouvelles couches minces métalliques, avec un contrôle ultime des hétérogénéités locales jusqu'à l'échelle atomique, ouvrent la voie à de nouvelles stratégies de nano-ingénierie permettant de maîtriser en profondeur les mécanismes de déformation et les propriétés mécaniques. Cette approche, qui peut être étendue à diverses combinaisons de couches métalliques, ouvre la voie à de nombreuses applications dans les domaines de la microélectronique étirable, des couches renforçant la structure des matériaux et des couches résistantes a des sollicitations mécaniques/thermiques importantes.

L'équipe de M. Ghidelli au Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux compte appliquer ces concepts de nano-ingénierie des couches minces à d'autres alliages amorphes, mais aussi à des alliages cristallins à haute entropie3 , en mettant en place des techniques de micromécanique de pointe in situ et le MEB pour la caractérisation des propriétés mécaniques.

Références
[a] Tailoring mechanical properties and shear band propagation in ZrCu metallic glass nanolaminates through chemical heterogeneities and interface density.
A. Brognara, A. Kashiwar, C. Jung, X. Zhang, A. Ahmadian, N. Gauquelin, J. Verbeeck, P. Djemia, D. Faurie, G. Dehm, H. Idrissi, J. P. Best, M. Ghidelli.
Small Structures, 19 mai 2024.
https://doi.org/10.1002/sstr.202400011
Cette étude a bénéficié du soutien de deux projets ANR : ANR JCJC MICRO-HEAs (ANR-21-CE08-0003-01) et ANR PRCI EGLASS (ANR-22-CE92-0026-01), ainsi que du Partenariat Hubert Curien (PHC) Procope 21 (NEW-GLASSES, 46735ZG)

[b] Novel class of crystal/glass ultrafine nanolaminates with large and tunable mechanical properties.
F. Bignoli, P. Djemia, G. Terraneo, G. Abadias, C. Gammer, A. Lassnig, C.A. Teixeira, S. Lee, A. Ahmadian, A. Li Bassi, D. Faurie, M. Ghidelli.
ACS Applied Materials & Interfaces, 28 juin 2024.
https://doi.org/10.1021/acsami.4c02610
Cette étude a bénéficié du soutien de deux projets ANR : ANR JCJC MICRO-HEAs (ANR-21-CE08-0003-01) et ANR PRCI EGLASS (ANR-22-CE92-0026-01) et d’un projet VINCI Cap. III de Université Franco Italienne (UFI, #C3-624 2286)

• 1La pulvérisation cathodique magnétron est une technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour la synthèse de couches minces où un plasma créé par ionisation d'un gaz inerte éjecte des atomes d'une cible.
   
• 2L'ablation laser pulsé (Pulsed Laser Deposition ou PLD) est une technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour la synthèse de couches minces utilisant un laser pulsé avec une très forte puissance.
   
• 3Les alliages à haute entropie (High Entropy Alloys, HEA) sont des alliages métalliques avec une composition complexe constitués d'au moins 4-5 éléments en proportions équivalentes.