Métallurgie : quel avenir ?

Matériaux haute performance, procédés d’élaboration innovants… La métallurgie est loin d’être un champ de recherche vieillissant, bien au contraire ! À Mines Saint-Étienne, les scientifiques développent par exemple de nouveaux alliages pouvant être utilisés dans des conditions extrêmes. Du 27 juin au 1^er juillet, l’école organise un colloque dédié à l’avenir de la métallurgie. L’occasion de s’attarder sur les derniers travaux des chercheurs stéphanois dans ce domaine.

La métallurgie est trop souvent associée à un secteur en crise. Du côté des scientifiques pourtant, le domaine est en pleine effervescence. « Nous donnons souvent une image associée à l’amélioration des alliages et procédés existants. Mais la recherche de concepts nouveaux se développe très fortement aussi ! » assure Anna Fraczkiewicz, physicienne des matériaux à Mines Saint-Étienne. Les chercheurs travaillent ainsi sur des procédés d’élaboration et des alliages innovants. Ils s’intéressent non seulement à la performance, mais également aux aspects psychosensoriels, à la perception des couleurs et du toucher.

Et il ne faut pas s’y tromper : les nouveaux matériaux issus de la métallurgie intéressent entreprises et industriels. Et ce, malgré l’essor parallèle des composites. Anna Fraczkiewicz n’y voit d’ailleurs pas de concurrence, mais un équilibre dynamique complémentaire : « Certains constructeurs choisissent les composites, d’autres les matériaux métalliques. Pour chacun, c’est une question de compromis entre coût, disponibilité, propriétés et recyclage. » Toujours selon la scientifique, le tropisme vers l’une ou l’autre de ces catégories de matériaux sera influencé aussi par les avancées technologiques de chacune.

Les alliages à forte entropie : des matériaux haute performance

Parmi les nouveaux développements de la métallurgie, les chercheurs en sciences des matériaux de Mines Saint-Étienne travaillent sur les alliages dits à forte entropie. Là où les alliages classiques sont principalement constitués d’un élément chimique — comme le nickel ou le fer — auxquels sont ajoutés d’autres éléments en petite quantité, ceux à forte entropie se basent sur la présence d’au moins cinq éléments en proportions égales. De tels matériaux présentent des propriétés mécaniques bien plus grandes, avec une meilleure résistance et une plasticité accrue.

« En 2014, nous avons ainsi développé la famille d’alliages A3S, qui sont des aciers inoxydables de nouvelle génération » témoigne Anna Fraczkiewicz. Ceux-ci présentent une structure d’agencement particulière, dans laquelle les atomes s’organisent de façon à occuper les sommets et le centre des faces d’un cube imaginaire. Cette organisation offre aux alliages A3S une capacité à se déformer sans se rompre à basse température, ainsi qu’une résistance mécanique trois fois plus grande que celle des aciers inoxydables existants.

La métallurgie offre des matériaux résistants à haute pression et avec une longue durée de vie. Des propriétés qui intéressent le secteur pétrolier, dont les outils de forage sont soumis à de fortes contraintes mécaniques.

Des matériaux métalliques adaptés aux conditions extrêmes

Ces très bonnes capacités des matériaux issus de la métallurgie leur permettent de trouver des applications dans des environnements très éprouvants, comme celui des centrales nucléaires. Les alliages soumis aux hautes températures et aux irradiations souffrent d’un processus de diffusion accéléré : « Au sein du matériau, certains éléments peuvent migrer et être conduits dans des zones qui fragiliseront la structure, typiquement les joints de grains » explique Krzysztof Wolski, directeur du centre Sciences des matériaux et des structures de Mines Saint-Étienne. Dans ce contexte, « le vieillissement des aciers de cuves pourrait limiter la durée de vie des centrales » poursuit-il. Cependant, les recherches en cours permettent aujourd’hui de quantifier la cinétique de ce phénomène et d’estimer la durée de vie restante.

Autre secteur avide d’innovations en métallurgie : l’exploitation pétrolière. Une plateforme de forage ne peut en effet se permettre de laisser une fuite apparaître dans sa tuyauterie subaquatique, sous peine de provoquer un désastre écologique. Actuellement, ce sont des alliages très haute performance à base de nickel qui sont utilisés, mais dont l’usinage et les matières premières coûtent cher. Pour les remplacer, le secteur pétrolier mise sur des aciers inoxydables martensitiques, moins chers et tout aussi résistants sous réserve d’un fonctionnement dans un environnement maîtrisé.

La métallurgie aussi utilise la fabrication additive !

Les alliages en conditions extrêmes sont une thématique de recherche des scientifiques de Mines Saint-Étienne. « Nous travaillons avec General Electric sur la durabilité d’un acier inoxydable martensitique utilisé dans de telles conditions » illustre Krzysztof Wolski. Pour garantir une marge de sécurité dans ces conditions, les chercheurs et l’entreprise collaborent dans le cadre d’une thèse Cifre. Ils envisagent même de passer à un procédé d’élaboration par fabrication additive, ce qui pourrait réduire le coût des pièces complexes de petite taille.

À lire sur le blog : La fabrication additive, procédé de l’industrie du futur

Car la technique, bien que très connue pour l’élaboration des matériaux plastiques, est aussi utilisée en métallurgie. Anna Fraczkiewicz pointe « les grands besoins de ce procédé dans les matériaux à base de titane, notamment pour l’aéronautique ». La chercheuse illustre son propos en mentionnant les travaux du groupe Safran dans le recyclage de copeaux de titane issus des chutes de l’usinage afin de réduire le coût de fabrication de pièces et d’en faire des poudres utilisables pour la fabrication additive.

Ce procédé reste cependant encore à démocratiser. Pour ce faire Mines Saint-Étienne est engagée dans un projet industriel d’avenir (PIAVE) appelé « Manufacture du futur ». Le but est de construire une mini-usine démontrant une possibilité d’intégrer la fabrication additive dans une ligne classique de production. Cela permettrait à terme d’aider les PME et les ETI à aller vers de nouveaux procédés de fabrication. Le projet devrait également permettre de mesurer l’apport du numérique dans ce secteur de production, notamment en termes d’interopérabilité des machines venant de plusieurs constructeurs. La métallurgie a donc bel et bien un bel avenir devant elle !

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