Alliage à haute entropie

Les alliages à haute entropie (ou les alliages à forte entropie, alliages multi-élémentaires ou encore alliages à composition complexe[1]; high-entropy alloys (HEA) en anglais) sont des alliages constitués d'au moins cinq métaux en proportion proche d'équimolaire (en général entre 5 et 35%). Les alliages à haute entropie forment des solutions solides au lieu de composés intermétalliques. Ces alliages font actuellement l’objet d’une attention particulière en science des matériaux et en ingénierie, car ils présentent des propriétés exceptionnelles; surtout propriétés mécaniques prometteuses à basse et à haute température (surtout dureté et ténacité)[2].

Modèle de la structure de l'alliage à haute entropie CoCrFeMnNi.

Le terme « alliages à haute entropie » provient du fait que l'entropie de mélange d'un grand nombre d'atomes différents, particulièrement en proportion proche d'équimolaire, est considérablement plus élevée. De plus, c'est cette entropie de mélange plus élevée qui stabilise la solution solide[3].

Particularités

Les alliages métalliques classiques comprennent un ou deux composants principaux avec de plus petites quantités d'autres éléments[3]. Par exemple, des éléments supplémentaires peuvent être ajoutés au fer pour améliorer ses propriétés, créant ainsi un alliage à base de fer. L'acier en est un exemple notable où le fer compose généralement plus de 90% de l'alliage.

Contrairement aux alliages classiques, les alliages à haute entropie sont constitués d'au moins cinq métaux en proportion proche d'équimolaire[3]. En outre, des recherches ont montré que certains HEA présentaient un rapport résistance / poids considérablement supérieur, avec un degré de résistance à la rupture, une résistance à la traction et une résistance à la corrosion et à l'oxydation supérieurs à ceux des alliages classiques. Bien que les HEA existent déjà avant 2004, la recherche s’est considérablement accélérée au cours des années 2010.

Typiquement, lorsque l'on ajoute un élément à un alliage quelconque, il en résulte une complexification du solide formé dû au plus grand nombre de phases disponibles. Il est alors attendu que plusieurs de ces phases soient des microstructures qui seraient souvent assez fragiles. Or, la haute entropie de mélange des alliages à haute entropie permet la formation de structures simples et donc réduit grandement le nombre de phases disponibles[3]. Cette caractéristique est capitale afin d'obtenir de larges domaines et de développer des applications intéressantes pour l'industrie.

Définition

Il existe plusieurs définition des alliages a haute entropie.

La première définition est basée sur la composition chimique. L’alliage doit être constitué d'au moins cinq métaux en proportion proche d’équimolaire, c'est-à-dire entre 5 et 35%[4].

La deuxième définition est basée sur l'entropie configurationnelle. L’alliage doit montrer l'entropie configurationnelle supérieur à 1,5R (R-Constante universelle des gaz parfaits)[4].

Alliage de Cantor

Le premier alliage à haute entropie à être publié dans une revue scientifique, est Fe₂₀Co₂₀Cr₂₀Mn₂₀Ni₂₀[5]. L'alliage est souvent appelé alliage de Cantor (nom de l'auteur de l'alliage). L'alliage est monophasé et composé de la phase cubique à face centrée. L’alliage de Cantor est le plus étudié parmi les HEAs.

Notes et références

« Propriétés mécaniques d’alliages réfractaires à haute entropie de mélange », Journées annuelles 2015 SF2M,‎ 2015 (lire en ligne)
Mathilde Laurent-Brocq et Jean-Philippe Couzinié, « Alliages multi-composants à haute entropie- Concepts, microstructures et propriétés mécaniques », Techniques de l'ingénieur,‎ 10 décembre 2017 (lire en ligne).
(en) « High-Entropy Alloys: A Critical Review », Materials Research Letters,‎ 30 avril 2014 (ISSN 2166-3831, lire en ligne).
(en) Michael C. Gao, Jien-Wei Yeh, Peter K. Liaw, Yong Zhang, High-Entropy Alloys : fundamentals and applications, Cham, Springer, 2016, 516 p. (ISBN 978-3-319-27011-1), p. 10
(en) B. Cantor, « Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys », Materials Science and Engineering A,‎ 2004, p. 213–218 (DOI 10.1016/j.msea.2003.10.257)

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[1] « Propriétés mécaniques d’alliages réfractaires à haute entropie de mélange », Journées annuelles 2015 SF2M,‎ 2015 (lire en ligne)

[2] Mathilde Laurent-Brocq et Jean-Philippe Couzinié, « Alliages multi-composants à haute entropie- Concepts, microstructures et propriétés mécaniques », Techniques de l'ingénieur,‎ 10 décembre 2017 (lire en ligne).

[MRL_High-Entropy-Alloys-3] (en) « High-Entropy Alloys: A Critical Review », Materials Research Letters,‎ 30 avril 2014 (ISSN 2166-3831, lire en ligne).

[:0-4] (en) Michael C. Gao, Jien-Wei Yeh, Peter K. Liaw, Yong Zhang, High-Entropy Alloys : fundamentals and applications, Cham, Springer, 2016, 516 p. (ISBN 978-3-319-27011-1), p. 10

[5] (en) B. Cantor, « Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys », Materials Science and Engineering A,‎ 2004, p. 213–218 (DOI 10.1016/j.msea.2003.10.257)