Le 25 avril, l’équipe de la professeure Zhong Shengyi et du chercheur associé Li Yang de l’École d’Ingénieurs Paris SJTU (SPEIT) a réalisé des avancées importantes dans le domaine des alliages d’aluminium fabriqués par fabrication additive à haute résistance et haute ténacité. Les résultats associés, intitulés « Strong 3D-printed aluminium reinforced with ductile-transformable eutectic nano-skeleton », ont été publiés dans Nature Communications. Le chercheur associé Li Yang et la doctorante Chen Tingting sont co-premiers auteurs, tandis que la professeure Zhong Shengyi et le professeur Chen Zhe sont co-auteurs correspondants.
Figure 1 : Les résultats associés ont été publiés dans Natu re Communications. Source de l’image : page de l’article dans Nature Communications.
Cette recherche répond au défi de longue date consistant à concilier résistance mécanique, ductilité et aptitude à l’impression dans les alliages d’aluminium fabriqués par fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Elle propose une stratégie de conception d’alliages d’aluminium à haute résistance basée sur le système quasi eutectique Al–Er, et construit un nano-squelette eutectique Al₃(Er,Mg) capable de participer au port de charge, à la déformation et à l’écrouissage. Cette approche ouvre une nouvelle voie pour la conception proactive de matériaux métalliques légers à hautes performances. Ce travail combine calcul intégré des matériaux, sélection des éléments dopants par calculs ab initio, conception de microstructures de solidification hors équilibre, caractérisation in situ par rayonnement synchrotron et validation d’ingénierie, illustrant le caractère interdisciplinaire du développement de nouveaux matériaux répondant à des besoins d’ingénierie complexes. Il fait également écho à l’orientation de l’école visant à promouvoir l’internationalisation, la formation orientée ingénierie et l’enseignement de l’ingénierie soutenu par l’intelligence artificielle.
Contexte de la recherche
Les alliages d’aluminium haute performance constituent des matériaux légers essentiels dans les domaines de l’aérospatiale, de la robotique, des aéronefs à basse altitude, des équipements de transport et des structures industrielles haut de gamme. La fabrication additive offre une nouvelle méthode de production pour les structures légères complexes. Toutefois, les alliages d’aluminium traditionnels à haute résistance restent limités par des problèmes de fissuration thermique, de stabilité microstructurale insuffisante et de fenêtre de procédé restreinte dans les conditions de solidification rapide par laser et de contraintes thermiques cycliques.
Les alliages d’aluminium quasi eutectiques présentent de bonnes caractéristiques de solidification et conviennent à la formation de microstructures fines sous les conditions de solidification rapide de la fabrication additive. Cependant, les composés intermétalliques eutectiques à forte fraction volumique sont généralement fragiles et limitent la ductilité ainsi que la fiabilité en service des matériaux. La question scientifique centrale de cette étude consiste à transformer ces composés intermétalliques eutectiques, traditionnellement considérés comme des phases de renforcement dures, en unités structurelles capables de participer au port de charge, à la déformation coordonnée et à l’écrouissage.
Pour répondre à cette problématique, l’équipe de recherche a combiné calcul intégré des matériaux, calculs ab initio, conception de microstructures de solidification hors équilibre et validation mécanistique multi-échelle afin d’établir un cadre de conception proactive d’alliages Al–Er quasi eutectiques à haute résistance destinés à la fabrication additive.
Innovations scientifiques
Établissement d’une stratégie de conception d’alliages d’aluminium fabriqués par fabrication additive basée sur le système quasi eutectique Al–Er
L’équipe a choisi le système quasi eutectique Al–Er comme base de conception en raison de la bonne compatibilité cristallographique entre Al₃Er et la matrice α-Al, ainsi que du potentiel de formation d’un nano-squelette eutectique continu dans la zone de composition quasi eutectique Al–Er sous conditions de solidification rapide par laser. Grâce aux diagrammes de phases hors équilibre et aux cartes de sélection microstructurale de solidification rapide, l’étude a clarifié la fenêtre de composition et les voies microstructurales permettant la formation du squelette eutectique dans les conditions LPBF.
Figure 2 : Stratégie de conception du système Al–Er orientée vers la fabrication additive. Source de l’image : Li et al., Nature Communications (2026).
Sélection des éléments dopants clés grâce au calcul des matériaux assisté par IA
L’équipe a réalisé des calculs ab initio sur la phase Al₃Er et évalué systématiquement l’influence de 25 éléments dopants sur l’énergie de faute d’empilement, l’énergie de solution solide et les paramètres énergétiques liés à la déformation. Les résultats ont soutenu l’introduction du Mg comme élément clé de régulation dans le système quasi eutectique Al–Er. Le Mg contribue non seulement à réduire l’énergie de faute d’empilement de la phase Al₃Er, mais participe également à l’occupation atomique et à la régulation de l’ordre chimique dans le nano-squelette eutectique Al₃(Er,Mg), fournissant ainsi une base atomique aux nanotwins et aux transformations structurales de type 9R.
Figure 3 : Calculs ab initio utilisés pour la sélection des éléments dopants. Source de l’image : équipe de recherche.
Proposition d’une stratégie de conception d’un nano-squelette eutectique déformable
L’étude a montré que le nano-squelette eutectique Al₃(Er,Mg) dans les alliages Al–Er–Mg de la série RAE peut participer au port de charge, à la déformation et à l’écrouissage lors de la traction. Des nanotwins peuvent se former dans L1₂-Al₃(Er,Mg), tandis que des transformations de structure empilée périodique de type 9R peuvent apparaître dans P3m1-Al₃(Er,Mg). Ce mécanisme propose une nouvelle approche de conception microstructurale conciliant haute résistance et ductilité exploitable.
Figure 4 : Nano-squelette eutectique Al₃(Er,Mg) formé dans l’alliage RAE600 et ses caractéristiques structurales à l’échelle atomique. Source de l’image : Li et al., Nature Communications (2026).
Révélation du mécanisme synergique résistance-ductilité grâce à des expériences in situ par synchrotron
L’équipe a mené des expériences de diffraction des rayons X in situ sous traction par rayonnement synchrotron. Les résultats montrent que le nano-squelette eutectique Al₃(Er,Mg) supporte des charges élevées pendant la déformation et continue d’accumuler des défauts ainsi que de s’écrouir durant la phase plastique. La bonne compatibilité interfaciale entre la matrice α-Al et le squelette eutectique contribue à retarder les concentrations locales de déformation. Associée à des caractérisations STEM à l’échelle atomique et à des calculs théoriques, l’étude a permis d’élucider les mécanismes fondamentaux assurant la synergie entre haute résistance et ductilité exploitable.
Figure 5 : Résultats des essais de traction in situ de l’alliage L-PBF RAE600 traité thermiquement, suivis par diffraction synchrotron des rayons X. Source de l’image : Li et al., Nature Communications (2026).
Faire progresser les matériaux de la conception scientifique vers la validation d’ingénierie
Grâce à cette stratégie de conception, les alliages Al–Er de la série RAE ont atteint des résistances de 600 à 700 MPa tout en conservant une ductilité exploitable en ingénierie et une bonne stabilité d’impression. Les matériaux concernés sont désormais entrés dans des phases d’ingénierie comprenant la préparation des poudres, le développement des procédés d’impression, l’optimisation des traitements thermiques et la validation de composants complexes.
Dans le cadre de cette industrialisation, l’équipe a collaboré avec Acc Material Technology, AVIC, la China Aerospace Science and Technology Corporation et la China Aerospace Science and Industry Corporation sur la préparation des poudres, le développement des fenêtres de procédé et la validation de composants complexes, posant ainsi les bases des futures applications industrielles.
Figure 6 : Propriétés mécaniques en traction des alliages Al–Er de la série RAE et comparaison avec d’autres alliages d’aluminium fabriqués par fabrication additive. Source de l’image : Li et al., Nature Communications (2026).
Figure 7 : Photographies des poudres d’alliage RAE600 et des produits fabriqués à grande échelle. Source de l’image : Acc Material Technology.
Présentation de l’équipe
L’équipe de la professeure Zhong Shengyi et du chercheur associé Li Yang mène des recherches sur la conception et la fabrication de nouveaux matériaux « des atomes aux applications d’ingénierie ». Elle se concentre notamment sur le développement de l’IA contrainte par la physique, des méthodes avancées de caractérisation multi-échelle et des méthodes expérimentales intelligentes. En ciblant les étapes clés du développement de nouveaux matériaux — conception des compositions, contrôle microstructural, prédiction des propriétés et validation d’ingénierie — l’équipe explore un modèle de recherche et développement en boucle fermée intégrant « conception–calcul–expérience–retour ».
S’appuyant notamment sur le Laboratoire National Clé des Sciences et Technologies Neutroniques, l’équipe développe des techniques avancées d’essais neutroniques et des méthodes de caractérisation multi-échelle des matériaux, afin d’établir des capacités de caractérisation quantitative non destructive des microstructures des composants d’ingénierie, telles que les contraintes résiduelles, les textures cristallographiques et les phases nanométriques. En combinant calcul des matériaux assisté par IA, méthodes du génome des matériaux et validation expérimentale, l’équipe contribue au développement de matériaux structurels haute performance et de composants complexes d’ingénierie.
L’étude sur les alliages Al–Er quasi eutectiques à haute résistance de la série RAE constitue une pratique importante dans cette orientation de recherche.
Les travaux de l’équipe offrent également des scénarios de recherche authentiques pour la formation interdisciplinaire et orientée ingénierie de SPEIT. Autour des problématiques de conception et de fabrication de matériaux haute performance, étudiants et jeunes chercheurs peuvent être formés dans un environnement interdisciplinaire réunissant science des matériaux, intelligence artificielle, fabrication avancée et applications d’ingénierie, développant progressivement une compréhension systématique allant de l’identification des problèmes scientifiques à la modélisation par IA, à la validation expérimentale et au transfert vers les applications industrielles. Ces orientations continueront également à soutenir les efforts de l’école dans le développement de l’enseignement de l’ingénierie soutenu par l’intelligence artificielle et des nouvelles disciplines d’ingénierie.
ABOUT
Titre de l’article : Strong 3D-printed aluminium reinforced with ductile-transformable eutectic nano-skeleton
Revue : Nature Communications
DOI : 10.1038/s41467-026-72256-4
Lien vers l’article complet : https://www.nature.com/articles/s41467-026-72256-4