Traitement des métaux par microgravité : des liquides sous-refroidis aux verres métalliques en vrac
npj Microgravity volume 1, Numéro d'article : 15003 (2015) Citer cet article
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Les verres métalliques en vrac (BMG) constituent une nouvelle classe d’alliages métalliques prêts à être commercialisés à grande échelle. Plus de 30 ans de financement de la NASA et de l’ESA (ainsi que d’autres agences spatiales) pour des expériences au sol et en microgravité ont abouti à des données scientifiques fondamentales qui ont permis une production commerciale. Cette revue se concentre sur l'histoire de la recherche BMG en microgravité, qui comprend des expériences sur la navette spatiale, l'ISS, des expériences au sol, une fabrication commerciale et les efforts actuellement financés.
L’un des grands succès de la recherche en microgravité a été le développement et la commercialisation de verres métalliques massifs (BMG), une classe d’alliages métalliques non cristallins qui a élargi la compréhension scientifique des liquides, des verres et des solides amorphes.1 Par rapport aux alliages métalliques cristallins conventionnels , comme l'acier, l'aluminium et le titane, les BMG ne sont pas des matériaux bien définis, dans la mesure où les propriétés mécaniques d'une pièce sont difficiles à évaluer sans essais destructifs, même lorsque des conditions de traitement similaires sont utilisées. Par exemple, la plupart des métaux cristallins matures peuvent être fabriqués à l’aide de procédures bien prescrites d’alliage, de traitement, de formage et de vieillissement, qui aboutissent à des microstructures et à des propriétés mécaniques reproductibles. En revanche, les BMG sont des liquides sous-refroidis qui ont été « capturés » sous forme de solide amorphe par refroidissement rapide depuis une température supérieure à la température du liquidus jusqu'en dessous de la température de transition vitreuse sans intervention de cristallisation. Ce processus est dynamique et largement incontrôlé, ce qui aboutit à un arrangement atomique unique dans le verre final. En raison du manque de cristaux et de grains, les BMG ne présentent pas la même plasticité basée sur les dislocations que les métaux cristallins, ce qui implique que les techniques métallurgiques traditionnelles ne peuvent pas être utilisées pour obtenir des propriétés mécaniques uniformes et reproductibles. Au lieu de cela, les propriétés mécaniques des BMG dépendent fortement de leur historique de traitement, et leur caractérisation au-dessus de la température du liquidus est primordiale. Dès les années 1980, il a été reconnu que la compréhension du traitement des alliages métalliques formant du verre serait essentielle à leur développement en tant que matériau d'ingénierie. Par exemple, le D Turnbull de Harvard a soutenu que les impuretés présentes dans le liquide et le contact avec le récipient étaient responsables de la cristallisation dans les verres métalliques et qu'en fondant des alliages dans une coque d'oxyde de bore, ils pouvaient former des verres volumineux avec des vitesses de refroidissement plus lentes.2, 3 Ces expériences ont clairement montré que des méthodes étaient nécessaires pour étudier les alliages métalliques formant du verre, où la fusion pouvait être découplée des récipients dans un environnement exempt d'impuretés. Des propriétés thermophysiques fondamentales telles que l'étendue du sous-refroidissement, la chaleur spécifique, la conductivité thermique, l'émissivité, la conductivité électrique, le volume spécifique, la densité, la viscosité, la tension superficielle et la cristallisation, entre autres, pourraient alors être obtenues à partir des alliages.
Pour certains alliages vitreux, ces données ont été obtenues lors d'une série d'enquêtes en microgravité à bord de la navette spatiale de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) au cours de trois missions au cours des années 1990 (STS-65, STS-83 et STS-94). Cette étude passe en revue certaines des connaissances scientifiques fondamentales sur les verres métalliques obtenues à l'aide de ces expériences en microgravité et comment ces données, en parallèle avec des expériences au sol, ont jeté les bases du domaine de recherche plus vaste du BMG. Il discute également de certaines premières expériences démontrant la fabrication « en orbite » de mousses BMG à cellules fermées sur la Station spatiale internationale (ISS), passe en revue les programmes BMG actuels financés par la NASA pour les expériences planifiées sur l'ISS (sans compter de nombreuses expériences non financées par la NASA). programmes ayant des objectifs similaires) et passe en revue l’histoire et l’état actuel de l’art de l’industrie commerciale BMG.