Regarder en temps réel la solidification des métaux

L'équipe du Prof. Dr. John Banhart (premier à partir de la droite) détient le record mondial en tomographie par rayons X en 3D. Les collaborateurs peuvent actuellement réaliser 50 tomogrammes par seconde. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Les chercheurs en science des matériaux souhaitent mieux comprendre la croissance dendritique grâce à la tomographie par rayons X 3D et augmenter la vitesse d'acquisition des tomogrammes par rayons X jusqu'à vingt fois.

En observant le métal en train de se solidifier, on dirait que de petits arbres poussent. Ces structures sont appelées dendrites, dérivées du mot grec « dendron » qui signifie arbre. C'est pourquoi la science parle aussi de croissance dendritique. Ce processus de solidification est très complexe et encore partiellement incompris. Cependant, pour l'observer, il faut des rayons X, car ce sont les seuls à pouvoir traverser le métal. La tomographie par rayons X 3D offre désormais une méthode adaptée pour déchiffrer le processus de solidification, car la croissance dendritique est un phénomène tridimensionnel et se déroule à une vitesse fulgurante.

La tomographie par rayons X 3D est extrêmement rapide. Actuellement, les membres de l'équipe du Prof. Dr. John Banhart peuvent enregistrer 50 tomogrammes par seconde. C'est un record mondial. « Mais ce n'est pas encore assez rapide pour la croissance dendritique », explique le responsable du département de la TU dédié à la structure et aux propriétés des matériaux. « Nous voulons atteindre 1000 tomogrammes par seconde, afin d'appliquer pour la première fois la tomographie également au processus de solidification des métaux, pour mieux le comprendre. » Le terme de « tomographie » a été récemment inventé par l'équipe de Banhart. Les scientifiques veulent exprimer la rapidité exceptionnelle qu'ils atteignent désormais, tout en se distinguant linguistiquement de l'étape précédente plus lente – la tomographie 3D.

La Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) a classé ces recherches comme « particulièrement innovantes » et a approuvé un « projet Reinhart-Koselleck ». Grâce à cette ligne de financement de la DFG, les chercheurs dont les performances scientifiques sont reconnues ont la possibilité de se consacrer à des projets à haut risque. Le projet Reinhart-Koselleck est financé par la DFG pour une durée de cinq ans, avec un budget total de 750 000 euros, sous la direction du Prof. Dr. John Banhart.

Dans la tomographie 3D, des tomogrammes tridimensionnels sont enregistrés en quelques fractions de seconde et transformés en un film 3D. John Banhart et son groupe ont déjà une expérience significative dans l'application de cette technique à l'étude des espaces métalliques. Ce matériau est utilisé, par exemple, pour des éléments d'amortissement dans la construction mécanique et légère. Il existe également des premières approches pour encapsuler des moteurs dans des mousses métalliques afin de les protéger contre l'intrusion d'objets pouvant provoquer un court-circuit et, par conséquent, une explosion.

Comme presque toutes les mousses, la mousse métallique a tendance à être instable. La belle mousse de bière disparaît plus vite qu'on ne le souhaiterait, et dans la baignoire, on peut littéralement voir éclater les bulles. On dit aussi communément que les rêves sont des bulles. Cette instabilité de la mousse pose également problème aux scientifiques des matériaux comme le Prof. Dr. John Banhart. « Les mousses métalliques sont fabriquées à partir d'une poudre de métal et d’un agent de gonflement. Cet agent est aussi une poudre de métal et d'hydrogène. Les deux sont mélangés, comprimés, chauffés, et lors de cette étape, l'agent libère de l'hydrogène, ce qui fait gonfler le mélange. Pendant la solidification, les bulles éclatent et fusionnent pour former des structures plus grandes. C’est un processus indésirable, car il détériore les propriétés mécaniques du matériau », explique John Banhart. Grâce à la tomographie 3D, son groupe a réussi à expliquer pourquoi les bulles éclatent : la cause réside dans des surpressions locales autour des particules de l'agent de gonflement. « C’est pourquoi nous recherchons un nouvel agent de gonflement qui se répartirait plus uniformément dans le métal et produirait une mousse plus douce », ajoute Banhart.

Une autre application de la tomographie concerne les processus où un laser fait fondre le métal en très peu de temps. Cela peut être la soudure ou la découpe laser, mais aussi la fabrication additive, connue sous le nom d'impression 3D, où le matériau est déposé couche par couche pour former une pièce. L'équipe de John Banhart souhaite utiliser la tomographie par rayons X 3D pour découvrir ce qui se passe durant cette courte période de fusion et de recristallisation.

Un second axe de recherche concerne le traitement des immenses quantités de données générées – plusieurs téraoctets par minute – afin de les analyser mathématiquement pour en tirer des connaissances. « Nous faisons face à un défi énorme », déclare John Banhart. Le troisième axe concerne le développement d’installations expérimentales fonctionnelles et transportables, permettant de réaliser des enregistrements au synchrotron de l’Institut Paul Scherrer en Suisse. John Banhart précise : « Nous avons besoin d’un rayonnement X intense, qui ne peut nous être fourni que par des synchrotrons. »