alliage à haute entropie

Un alliage à haute entropie (AHE) est une composition métallique où cinq éléments ou plus représentent chacun entre 5 et 35 % du total, sans qu'aucun élément ne domine. Contrairement aux alliages conventionnels, qui se construisent autour d'une matrice primaire (le fer dans l'acier, l'aluminium dans les alliages d'aluminium), les AHE répartissent des atomes de taille et de concentration comparables dans une seule phase cristalline. Cette différence fondamentale de structure produit des matériaux avec des combinaisons inhabituelles de dureté, de ténacité et de résistance à la chaleur que les alliages conventionnels ont du mal à égaler.

Le terme « haute entropie » fait référence au désordre thermodynamique intégré dans la microstructure. Lorsque plusieurs éléments occupent des positions de réseau avec une probabilité à peu près égale, l'entropie configurationnelle de la solution solide est très élevée, ce qui stabilise la structure monophasée même à des rapports de composition qui provoqueraient normalement une ségrégation ou une précipitation. Cette stabilité due à l'entropie permet aux AHE de maintenir des propriétés uniformes sur des plages de températures plus larges que les alliages traditionnels.

Systèmes et propriétés courants

Le CoCrFeMnNi équiatomique, l'un des premiers AHE découverts, présente une structure cubique à faces centrées et reste tenace à des températures cryogéniques où la plupart des aciers deviennent cassants. Les AHE réfractaires à base de tungstène, de molybdène, de tantale et de niobium résistent à la chaleur extrême ; certains maintiennent une limite d'élasticité supérieure à 1000 MPa à 1200 degrés Celsius. Des systèmes plus légers comme l'AlCoCrFeNi offrent des gains de densité pour les applications aérospatiales, bien que les AHE contenant de l'aluminium puissent souffrir de séparation de phase et de fragilité si le refroidissement n'est pas contrôlé.

Le défi avec les AHE réside dans le traitement et le coût. La fusion de plusieurs éléments pour obtenir une composition homogène exige un contrôle minutieux de l'oxydation et des gradients thermiques. La coulée introduit souvent une ségrégation à moins d'être suivie d'un recuit d'homogénéisation. Le coût des matières premières est plus élevé que celui des alliages de fer ou d'aluminium car le tantale, le cobalt et le nickel sont des métaux coûteux. L'usinage et le formage présentent également des difficultés : la dureté élevée qui rend les AHE attrayants en service les rend difficiles à travailler.

Les AHE restent principalement un domaine de recherche et d'applications avancées. Les entrepreneurs de la défense et les fournisseurs aérospatiaux les testent pour les aubes de turbine et les blindages. Les usines chimiques les étudient pour les services corrosifs. La production en volume est limitée ; ils concurrencent les superalliages et les aciers inoxydables établis qui disposent de décennies de données de fiabilité et de chaînes d'approvisionnement établies. Le domaine est encore suffisamment jeune pour que la conception de la composition repose en partie sur la découverte empirique plutôt que sur des modèles prédictifs, de sorte que chaque nouveau système nécessite des tests avant le déploiement.