Rendre élevé

Oct 25, 2023

Laboratoires nationaux de l'Idaho, Idaho Falls, ID

De nombreuses technologies à haute performance d'aujourd'hui - réacteurs nucléaires, engins spatiaux, centrales solaires à concentration et cellules à hydrogène - nécessitent des matériaux avancés. Avancé signifie qu'ils sont fabriqués à partir de métaux et de céramiques capables de résister à des conditions extrêmes ou de répondre à des spécifications rigoureuses.

Dans le passé, ces matériaux avancés étaient généralement fabriqués à partir de poudre qui était versée dans une matrice, soumise à une pression élevée et chauffée lentement dans un processus appelé pressage à chaud. Cependant, le pressage à chaud entraîne une perte de chaleur, ce qui contribue à des coûts élevés. Ces coûts ont limité l'utilisation généralisée de matériaux de pointe dans les industries qui fabriquent des articles de tous les jours tels que les automobiles.

Plus récemment, des ingénieurs ont mis au point un procédé économique appelé frittage au plasma par étincelle (SPS). Au lieu de chaleur, le SPS envoie de l'électricité à travers la matrice, et parfois le matériau lui-même, pour fusionner les molécules de métaux en poudre, de céramique ou d'un mélange des deux.

Aujourd'hui, le laboratoire national de l'Idaho a développé des capacités de classe mondiale pour aider l'industrie à concevoir des processus de fabrication SPS efficaces. Le plus récent ajout au laboratoire, l'une des plus grandes machines de ce type au monde, permet de fabriquer de nouveaux matériaux à des échelles pertinentes pour l'industrie.

« Le processus SPS est beaucoup plus rapide, beaucoup plus économe en énergie et plus capable de conserver les propriétés supérieures d'origine de la poudre dans la pièce entièrement frittée », a déclaré Troy Holland, scientifique/ingénieur principal des matériaux SPS à l'INL.

Le maintien des propriétés du matériau en poudre d'origine est important en raison des exigences de performance souvent strictes de ces pièces. "Si vous les chauffez pendant une longue période, vous perdez souvent les avantages que vous aviez dans la poudre d'origine", a déclaré Holland.

L'INL a conçu et construit quatre machines SPS personnalisées qui vont de la prise en charge de petites expériences à l'échelle du banc à des systèmes à grande échelle et à haut débit à l'échelle industrielle.

Comme son nom l'indique, le Nano-SPS est une petite machine qui peut fusionner du métal ou de la poudre de céramique pour fabriquer des pièces à l'échelle du nanomètre au micromètre. Le Nano-SPS n'est pas conçu pour la construction de pièces commerciales en soi, mais est une machine expérimentale qui peut aider les chercheurs à prédire et à contrôler la nanostructure et la microstructure d'un composant en observant comment les matériaux en poudre s'écoulent et interagissent à une résolution nanométrique.

Les expériences de diffraction des rayons X et des neutrons utilisant la configuration Nano-SPS fournissent des données en temps réel sur l'évolution chimique et de la microstructure au cours du processus SPS.

Comprendre comment les molécules de poudre interagissent pendant le SPS, des liaisons atomiques aux nanostructures locales en passant par les microstructures, est important car la variation à ces échelles peut faire une grande différence dans les performances.

"Notre objectif est de comprendre et de contrôler suffisamment bien le processus pour pouvoir contrôler les microstructures locales des pièces", a déclaré Holland, "Cela nous permet de minimiser les variations ou de tirer parti des variations intentionnelles locales au sein de la pièce de manière aussi reproductible que possible. produire des pièces préqualifiées."

La machine suivante, la Micro-SPS, peut fabriquer des pièces à l'échelle du micromètre au centimètre environ et est également utile pour comprendre l'évolution microstructurale. Le Micro-SPS est utilisé pour déterminer les données cinétiques de frittage de matériaux en vrac. Pour ce faire, il fournit des fenêtres sur l'outillage pour prendre en charge la radiographie aux rayons X et aux neutrons en temps réel du traitement SPS en vrac.

Le SPS est également une technologie émergente pour la fabrication de combustibles nucléaires avancés. Le système de frittage par plasma radiologique (RSPS) du complexe des matériaux et des carburants de l'INL est un système conçu à dessein qui est intégré dans une boîte à gants de travail radiologique.

La DCS-800 est une machine SPS plus grande qui peut fabriquer des pièces jusqu'à environ un mètre carré. Situé au laboratoire des systèmes énergétiques de l'INL, le DCS-800 fonctionne à haute puissance, haute température et haute pression. Il permet aux matériaux qui ont été découverts à l'échelle du laboratoire d'être démontrés à des échelles pertinentes pour l'industrie.

Enfin, le Roller SPS permettra aux experts de l'INL d'amorcer le frittage plasma de feuilles continues de matériau à partir de poudres. Cela signifie qu'ils peuvent fabriquer des pièces de taille illimitée, tout en réduisant encore la consommation d'énergie et le temps de fabrication.

Cet article a été écrit par Cory Hatch pour INL Communications & Outreach. Pour plus d'informations, contactez Ryan Bills à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir.; 208-526-1896.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Tech Briefs Magazine.

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