NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020

MAGAZINE

NICKEL

L A REVUE SPÉCIALISÉE DU NICKEL ET DE SES APPLICATIONS NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020

Le nickel dans la prochaine révolution industrielle Intelligence artificielle et production durable de l’acier

Le nickel dans la fabrication additive

Importance du nickel dans la conquête spatiale

STALATUBE OY

ÉTUDE DE CAS 19 BALCONS D’APPARTEMENT MODULAIRES EN FINLANDE La construction modulaire connaît un succès croissant. Des modules préfabriqués en usine peuvent être livrés et assemblés sur le chantier pour constituer des éléments importants d’un immeuble. Ce travail en amont permet d’économiser du temps, d’améliorer la qualité, de diminuer le gaspillage de matériaux, de simplifier la logistique du chantier et de réduire les perturbations pour les espaces environnants.

Pour la fabrication des structures de balcon, Stalatube a fourni plus de quatre tonnes de tubes d’acier inoxydable 304 (UNS S30400) de sections carrées et rectangulaires en trois longueurs allant de 0,5 m à plus de 2 m. Les tubes ont été découpés et perforés au laser selon des tolérances précises.

22 || NICKEL, NICKEL, VOL. 35, VOL. 35, Nº 2.

Nº 2. 2020 2020

Les systèmes de balcons modulaires préfabriqués, destinés tant aux nouvelles constructions qu’aux rénovations, constituent un moyen rentable et de plus en plus courant d’accroître la superficie utile d’un appartement en lui adjoignant un espace extérieur privé et protégé.

L’acier inoxydable est un matériau idéal pour les éléments de structure des balcons tant traditionnels que préfabriqués. Il offre non seulement une très grande durabilité, mais aussi un attrait esthétique qu’il conserve tout au long de la durée de vie de l’immeuble

avec un entretien minime. Et son rapport résistance-poids élevé offre aussi le grand avantage de faciliter et d’accélérer l’installation des balcons de l’immeuble.

L’an dernier, 100 balcons modulaires ont été installés dans un nouvel immeuble d’appartements à Lahti, dans le sud de la Finlande. Ils ont été préfabriqués à l’usine, avec leurs garde-corps vitrés et leurs revêtements de sol en bois fixés à leur structure d’acier inoxydable, puis livrés sur le chantier, prêts à être installés en une journée.

ÉDITORIAL UN FUTUR SUR MESURE

Nous sommes actuellement à la charnière entre deux époques : celle de l’Industrie 4.0 – combinant révolution numérique, Internet des objets, appareils connectés et analyse des données – et celle de l’Industrie 5.0, caractérisée par l’introduction de l’intelligence artificielle dans les procédés de fabrication industrielle. Cette nouvelle révolution industrielle vise à une personnalisation de masse rendue possible par des méthodes où humain et machine travaillent ensemble en conjuguant leurs formes d’intelligence respectives.

1.0

1870 Industrie

2.0

Mécanisation, Production de énergie hydraulique masse, électricité et machines à vapeur

1969 Industrie

2000 Industrie

2020 Industrie

Informatique, automatisation, robotique

Internet, analyse de données, connectivité

Personnalisation de masse

3.0

4.0

5.0

Le présent numéro de Nickel aborde les études sur la manière dont l’intelligence artificielle (IA) peut servir à produire sur mesure des aciers inoxydables et autres alliages au nickel adaptés à des applications particulières, ainsi qu’à optimiser leur fabrication pour rendre les procédés plus durables. L’IA aide l’industrie à obtenir des résultats à la fois inédits, reproductibles et répondant à des normes de précision rigoureuses. Elle accomplit des traitements de mégadonnées dépassant les capacités humaines et apporte déjà pour certaines tâches intellectuelles, notamment de spécification, une aide susceptible de réduire les délais et les coûts de manière radicale et d’offrir des solutions innovantes et optimales.

Mais l’Industrie 5.0 ne concerne pas que l’IA. On assiste aussi à une banalisation rapide de la fabrication additive débouchant sur davantage de personnalisation sur mesure.

En fabrication additive, les alliages au nickel apportent différentes propriétés dont certaines sont familières et d’autres inédites. Les procédés conjuguant IA et fabrication additive laissent entrevoir la perspective d’un futur où la production industrielle est à la fois plus personnalisée et plus durable.

Le présent numéro de Nickel marque aussi son 35e anniversaire. Voilà une excellente occasion de remercier nos lecteurs et nos collaborateurs. Alors que notre époque est marquée par de profonds changements, les usages du nickel ouvrent des possibilités souvent hors du commun qui continuent de susciter un intérêt toujours aussi vif. À noter qu’aucune application d’IA n’intervient dans la production de ce périodique, du moins pour l’instant.

SPACEX

1760 Industrie

Qu’y a-t-il de plus futuriste et de plus tributaire de la durabilité, des procédés de fabrication innovants et de l’IA que les voyages spatiaux ?

Les lanceurs réutilisables de SpaceX sont en passe de révolutionner l’économie de l’exploration spatiale, grâce à la contribution, discrète mais indispensable, du nickel et de la fabrication additive.

Clare Richardson Rédactrice en chef

NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020 | 3

02

Étude de cas 19 Balcons d’appartement

03

Éditorial Un futur sur mesure

04

En bref

06

Intelligence artificielle

NICKEL

E N B R E F

SOMMAIRE

et production durable de l’acier

08

Industrie 5.0 Fabrication additive

11

AI et usage du nickel

12

Alliages Monel Applications aérospatiales

14

Avis d’experts Teneur en carbone et soudabilité

15

Nouvelles publications

15

Codes UNS

16

Fin des lanceurs consommables

NiPERA fête ses 40 ans NiPERA, la division scientifique indépendante du Nickel Institute, a fêté son 40e anniversaire en juillet. Depuis 1980, elle ne cesse de renforcer sa réputation d’organisation de recherche scientifique de premier plan sur les questions de santé humaine et d’environnement faisant intervenir le nickel. « Au fil des quatre dernières décennies, les chercheurs de NiPERA ont produit une vaste somme de travaux scientifiques permettant de mieux comprendre le bon usage du nickel », explique Adriana Oller, directrice de NiPERA. « Grâce à nos chercheurs d’hier et d’aujourd’hui, nous disposons des bases scientifiques nécessaires pour comprendre les effets potentiels de la production, de l’utilisation et de l’élimination du nickel sur les plans sanitaire et environnemental. Le nickel possède des propriétés exceptionnelles, et NiPERA rassemble et diffuse depuis 40 ans des connaissances permettant de l’utiliser en toute confiance dans les applications qui conviennent. » www.nipera.org NICKEL INSTITUTE

La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org Président : Hudson Bates Rédactrice en chef : Clare Richardson communications@nickelinstitute.org Collaborateurs : Nancy Baddoo, Gary Coates, Emiko Hiraoka, Richard Matheson, Bruce McKean, Mark Mistry, Geir Moe, Kim Oakes, Vladimir Paserin, Benoît Van Hecke, Kotaro Watanabe, Odette Ziezold Conception : Constructive Communications Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y fier pour des applications particulières sans avoir obtenu au préalable les conseils de spécialistes compétents. Bien que les informations données soient considérées comme techniquement exactes, le Nickel Institute, ses membres, son personnel et ses consultants ne garantissent pas leur adéquation à quelque usage particulier ou général que ce soit et déclinent toute responsabilité à leur égard.

40 ans de

science du nickel

ISSN 0829-8351 Imprimé au Canada, sur papier recyclé, par Hayes Print Group Crédits photos : istock©Igor Borisenko (couverture), istock©mustafa güner (p. 5), istock©metamorworks (p. 7), istock©Andy (p. 10)

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L’ÉQUIPE DE LA NIPERA EN 2020.

Sam Buxton ; Emily Garman ; Kate Heim ; Connie Lawson ; Tara Lyons-Darden ; Adriana Oller, directrice, en compagnie de son prédécesseur, Hudson Bates ; Adriana Oller ; Chris Schlekat ; Mike Taylor ; Ellie Traudt-Middleton

MONNAIE ROYALE CANADIENNE

Une médaille de circonstance Voici un bon moyen d’exprimer sa reconnaissance et son soutien aux travailleurs de première ligne ou assurant des fonctions essentielles tout en contribuant au fonds d’urgence COVID-19 du Club des petits déjeuners (une ONG canadienne).

La Monnaie royale canadienne a émis pour la circonstance une nouvelle médaille en acier nickelé intégrant un aimant qui facilite son port sur les vêtements. Les employés de la Monnaie ont fait don de leur temps et de leurs savoir-faire pour venir ainsi en aide aux enfants et familles placés en situation d’insécurité alimentaire à cause de la pandémie de COVID-19. Cette médaille porte l’emblème d’un cœur et d’une feuille d’érable entrelacés, représentant l’esprit de solidarité des Canadiens « qui se serrent les coudes pour aider les plus démunis », selon la Monnaie. Elle intègre également un motif géométrique finement gravé qui miroite autour du cœur pour produire un effet de pulsation lumineuse évoquant le « puissant battement » dont le Canada semble animé.

Un filtre à air anti-COVID Pour répondre au risque de transmission du SARS-CoV-2 par aérosols transportés dans les systèmes de climatisation, des chercheurs de l’université de Houston ont conçu avec d’autres collaborateurs un filtre piégeant ce virus et le détruisant instantanément, afin de prévenir de nouveaux cas de COVID-19. Constitué d’une mousse de nickel déjà commercialisée, ce filtre chauffé à 200 °C a détruit en un seul passage 99,8 % des particules virales ciblées. Ce système de désinfection thermique de l’air est un premier moyen de prévenir la transmission du virus en milieu fermé. L’équipe de recherche conseille de déployer le dispositif de manière échelonnée en

AVEC L’AIMABLE AUTORISATION DE FORMULA E

commençant en priorité par les lieux où les travailleurs essentiels courent le plus grand risque d’exposition, en particulier les établissements scolaires, hospitaliers et médicaux, ainsi que les moyens de transport tels que les avions de ligne. Elle conseille de les installer ensuite dans les

De retour en piste

aéroports, les immeubles de bureaux et les navires de croisière.

Le championnat de Formule E a organisé six courses disputées sur une période de neuf jours afin de terminer la saison 2019-2020 interrompue en mars pour cause de pandémie. Ses organisateurs n’ont épargné aucun effort pour le remettre en route tout en donnant « la priorité à la santé et à la sécurité de notre communauté », comme l’a déclaré son directeur général, Jamie Reigle. Seuls le personnel essentiel et les concurrents étaient présents sur le circuit. Malgré d’absence de public sur place, cette manifestation sportive s’est étalée sur neuf jours avec trois tracés de piste « constituant un nouveau défi et créant les conditions d’un dénouement imprévisible et palpitant pour notre saison », a expliqué Jamie Reigle. Douze équipes se sont ainsi affrontées sur le circuit de Berlin-Tempelhof. Tous les bolides étaient alimentés par des batteries identiques fournies par McLaren Applied Technology et utilisant les cellules NCA (nickel-cobalt-aluminium) haute puissance de l’entreprise japonaise Murata, qui ont porté la vitesse de pointe à 299 km/h et doublé l’autonomie atteinte jusqu’alors, si bien que les courses peuvent désormais se disputer sans changement de voiture.

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SANDVIK

PROJET SWEDISH METAL L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE AU SERVICE D’UNE PRODUCTION DURABLE DE L’ACIER

Quand on examine les grandes étapes du développement industriel, on peut se demander de quelle manière les principes de l’Industrie 5.0 pourraient bien s’appliquer à la fabrication de l’acier. Vu l’envergure des charges, l’ampleur des températures et la puissance des produits chimiques utilisés, il est légitime Le projet Swedish Metal se penche sur les applications pratiques de l’intelligence artificielle dans les aciéries.

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de s’interroger sur l’applicabilité d’un concept aussi pointu que l’apprentissage automatique à un environnement aussi rigoureux.

Intégration de l’apprentissage

automatique y soient intégrés et com-

automatique

mencent à déterminer – beaucoup plus

Le fait est que l’infrastructure de produc-

efficacement que les humains – les liens

tion des métaux est pilotée au moyen

possibles entre paramètres d’entrée

de systèmes informatiques depuis des

(matières premières, temps, température,

décennies. Il devait donc arriver tôt ou

etc.) et paramètres de sortie (qualité

tard que des algorithmes d’apprentissage

des aciers produits, émissions de gaz à

effet de serre et rejet de déchets tels que

prévisible. Ce processus n’a rien

scories, etc.).

d’aléatoire. Néanmoins, déterministe

Une synergie d’efforts

ne veut pas dire simple. Premièrement,

Depuis près de deux ans, les aciéristes suédois SSAB et Sandvik, producteurs de nombreuses nuances d’acier inoxydable au nickel, conjuguent leurs efforts avec ceux de l’université de Skövde dans le cadre d’un projet que chaque partenaire aborde depuis sa propre perspective.

Sandvik cherche à optimiser l’usage des

il y a beaucoup de variables en jeu.

Deuxièmement, les intrants présentent un degré d’incertitude (comme la composition chimique moyenne des chutes d’usine) que l’intelligence artificielle peut aider à interpréter afin d’obtenir le résultat souhaité.

• L a qualité du produit final est largement

chutes d’usine afin de réduire la quantité

déterminée par ce qui se passe en phase

d’alliages vierges requis et de diminuer

liquide, si bien qu’un investissement

le risque d’erreurs de composition. SSAB

dans l’apprentissage automatique

se concentre sur l’optimisation des temps

améliore cette qualité.

et températures de passage au conver-

• Les matières premières et l’énergie

tisseur afin de réduire les émissions et la

représentent une large part du coût de

consommation d’énergie.

l’acier, ce qui justifie d’investir dans des

Il s’agit en définitive de rendre la produc-

programmes d’amélioration à ce niveau.

tion d’acier plus durable en maîtrisant

• Enfin, comme l’indique SSAB, la

mieux les intrants (matières premières et

fabrication de l’acier au carbone est un

consommation d’énergie) et les extrants

domaine bien connu des spécialistes

(notamment les résidus et les émissions).

de l’automatisation et du contrôle des

L’apprentissage automatique pourrait

procédés. On dispose d’une abondance

également intervenir dans l’aide à la

de modèles et d’ensembles de données,

décision des opérateurs du procédé, en

en particulier pour les produits assez

vue de réduire l’écart entre les résultats

standardisés tels que l’acier au carbone.

finaux obtenus par les plus expérimentés et ceux enregistrés par les débutants. Le

Un atout majeur À mi-parcours, les deux aciéristes

système simule de manière itérative des

et l’équipe de l’université de Skövde

décisions qui sont testées et corrigées

constatent que l’ampleur de l’appren-

par les opérateurs de manière à renforcer

tissage mutuel entre informaticiens et

l’outil d’apprentissage automatique.

métallurgistes constitue déjà un atout

La filière de production des aciers

majeur.

consiste en plusieurs étapes réparties

Même si les divers segments du secteur

entre une phase amont, qui comprend

de l’acier emploient des modèles et

la fusion, le moulage et le forgeage à

ensembles de données différents et

chaud, et une phase aval comportant

nécessitent probablement une modé-

un traitement thermique et, souvent, un

lisation sur mesure, ils s’accordent à

laminage à froid et un finissage. Alors

penser que l’intelligence artificielle peut

pourquoi les aciéristes choisiraient-ils le

optimiser les procédés.

même domaine du procédé pour tester leurs outils d’intelligence artificielle ?

Malgré l’absence d’outils prêts à l’emploi, le volet intelligence artificielle de

Les raisons sont multiples :

l’Industrie 5.0 semble prometteur pour

• L a partie amont de la production d’acier

la production des aciers et de nombreux

est un processus plutôt déterministe. Un

autres produits contenant du nickel. Tout

certain nombre de variables d’entrée

s’annonce pour le mieux dans le meilleur

produisent toujours un résultat assez

des mondes.

L’apprentissage automatique pourrait également intervenir dans l’aide à la décision des opérateurs du procédé de fabrication de l’acier, en vue de réduire l’écart entre les résultats finaux obtenus par les plus expérimentés et ceux enregistrés par les débutants.

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INDUSTRIE 5.0 LE NICKEL DANS LA FABRICATION ADDITIVE MÉTALLIQUE Alors que nous sommes encore en pleine Industrie 4.0 (fabrication intelligente intégrant intelligence artificielle, informatique dématérialisée, fabrication à flux tendu et Internet des objets), le terme Industrie 5.0 (ou sa variante japonaise, Société 5.0) connaît déjà une vogue qui grandit de jour en jour. La quatrième révolution industrielle repose fondamentalement sur l’idée qu’en intégrant BRYAN HO-ON

équipements de production, dispositifs de suivi et de contrôle intelligents et liaison Internet en temps réel avec les clients, les fabricants créent des réseaux intelligents

EXPANSE MICROTECHNOLOGIES

d’un bout à l’autre des chaînes d’approvisionnement et de valeur.

Dans le stade à venir de cette progression,

Effets de cette évolution sur la

le retour de l’intervention humaine

production et l’emploi des métaux,

directe est envisagé comme un moyen de

et notamment du nickel

répondre de manière encore plus sophis-

Les dernières tendances des techniques

tiquée, plus réactive et plus adaptée à des

de fabrication, en particulier la fabri-

besoins humains en constante évolution,

cation additive métallique (ou impres-

d’où le terme Société 5.0. Une intégration

sion 3D métallique), ouvrent de nouvelles

plus étroite entre systèmes de production

perspectives.

et participation des acteurs humains à leur exploitation et à leur pilotage conduit à fusionner l’exactitude et la vitesse d’exécution des automates industriels avec les facultés de compréhension, d’analyse critique et d’ingéniosité intuitive qui Figure 1 Impulseur de 5 cm de diamètre en acier inoxydable de nuance 17-4PH (UNS S17400)

caractérisent les humains. Promu par le gouvernement japonais depuis 2015, le

catalyser une modernisation profonde des industries manufacturières. Le procédé le plus courant est la fusion sélective par laser, qui consiste à créer des objets 3D couche par couche à partir de poudres métalliques. Les paramètres de com-

concept de Société 5.0 centre le dévelop-

mande du faisceau laser (puissance,

pement technologique sur la société dans

diamètre du point, séquence de balayage,

son ensemble plutôt que sur l’industrie.

etc.) sont sélectionnés avec minutie et les

En attribuant à la technologie le rôle de

particules sont chauffées jusqu’à leur point

catalyseur et de moteur du progrès, la

de fusion (environ 1 500 °C pour les aciers

Société 5.0 vise au bien-être général des

au nickel), de manière à produire un objet

membres de la collectivité et s’applique à

de pleine densité comme celui de la

créer un écosystème société-technologie

figure 1. D’autres techniques font intervenir

superintelligent. En bref, la Société 5.0 place l’être humain au centre du concept d’Industrie 4.0.

8 | NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020

Ce secteur en plein essor est en train de

différents modes d’apport d’énergie – faisceau d’électrons, ultrasons, projection dynamique à froid, projection thermique

et extrusion ou projection de composites

la fusion laser sur lit de poudre qui

métal-polymère (tels que des filaments

domine le secteur à l’heure actuelle.

contenant une poudre de métal) – puis

L’idée de façonner des objets tridimen-

des procédés usuels de déliantage et de frittage. La figure 2 présente un diagramme des stades de développement de haut niveau (indice d’industrialisation en fonction de l’indice de maturité du procédé) montrant que les techniques les plus avancées sur chacune des deux

sionnels couche par couche n’est pas étrangère à l’industrie du nickel. C’est exactement ainsi que sont produites les boulettes de ferronickel, formées par dépôt chimique en phase vapeur à partir de pentacarbonyle de fer [Fe(CO) 5] et de tétracarbonyle de nickel [Ni(CO)4], un

échelles étaient la fusion laser sur lit de

procédé mis au point par Ludwig Mond

poudre (LB-PBF) et les différents

LB-PBF

UTILISATION INDUSTRIELLE GÉNÉRALISÉE

4 Dépôt laser-poudre

UTILISATION INDUSTRIELLE

EB-PBF 3

Dépôt par arc électrique ou plasma d’arc

PREMIÈRES APPLICATIONS FDM granulés

2

ferronickel, dont la structure alterne

un plasma d’arc pour fusionner des matériaux (sous forme de poudre ou de fil) au fur et à mesure qu’ils sont déposés.

une poudre de métal – et la projection de liant progressent rapidement vers le

Projection de nanoparticules

1

régulièrement couches riches en nickel et ÉTUDE DE FAISABILITÉ

couches riches en fer. Le lit de boulettes est maintenu à température uniforme, de manière que chaque couche se dépose

Le dépôt de fil fondu (FDM) – alimenté par des filaments ou granulés contenant

Projection dynamique à froid Soudage par ultrasons

SYSTÈME PROTOTYPE

présente la coupe d’une boulette de

trée, qui utilisent un faisceau laser, un

FDM filaments Dépôt faisceau d’électrons-fil Projection de liant

Dépôt laser-fil

dès la fin du XIX siècle. La figure 4

faisceau d’électrons, un arc électrique ou

sur toutes leurs surfaces simultanément dans le réacteur. Comme les carbonyles de nickel et de fer se condensent à des

0

5

4 3 2 I N D I C E D E M AT U RI T É D U P RO C É D É Indice atteint

< 2 ans

2 à 5 ans

1

≥ 5 ans

températures différentes, chacun se

même degré de maturité.

décompose dans un espace distinct du

La figure 3 présente une liste plus

réacteur et cela se traduit par l’alternance

détaillée des différentes techniques de

de couches riches en nickel et riches

fabrication additive métallique. À en juger

en fer. On peut alors envisager de

Figure 2. Indices de maturité et d’industrialisation pour différents procédés de fabrication additive métallique

Frittage sélectif Fusion laser sur lit de par laser poudre (LB-PBF)

Dépôt sur matrice de gel

Fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons (EB-PBF)

Projection de poudre métallique

Projection de liant

Dépôt sous énergie concentrée laser-poudre

Poudre

Projection dynamique à froid

Lithographie métal

Dépôt sous énergie concentrée arc électrique ou plasma d’arc

s Granulé nt s me a l i F

n

si o

er

Feuilles

s Tige

sp

l

Di

Figure 3. Aperçu des procédés de fabrication additive métallique.

On en compte au moins 18. Les publications AMPOWER Insights donnent une vue d’ensemble et une classification des plus importants.

Fi Dépôt sous énergie concentrée faisceau d’électrons-fil Soudage par résistance

Projection de nanoparticules Dépôt par friction

Soudage par ultrasons

AMPOWER INSIGHTS

Dépôt de fil fondu alimenté par filaments

5

e

procédés de dépôt sous énergie concen-

Dépôt de fil fondu alimenté par granulés

TE M P S ÉCOU LÉ JUSQU’À L’U TILISATION IN DUS TRIE LLE

D’APRÈS AMPOWER INSIGHTS

par le nombre d’acteurs, c’est visiblement

I N DI C E D’I N D U S T RI A L IS AT I O N

à arc électrique ou à plasma d’arc soufflé,

Jet de métal liquide

NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020 | 9

Capteurs imprimés en 3D Germe de nickel Ferronickel déposé en couches annulaires VALERY CHANI

Une voiture actuelle intègre généralement 60 à 100 capteurs améliorant le rendement du moteur ainsi que la sécurité et le confort du véhicule. Les capteurs sont aussi devenus essentiels dans les industries de fabrication et de processus comme celles de l’aérospatiale et des produits de santé. Le succès de l’Industrie 5.0 repose sur l’acquisition et l’analyse instantanées d’un énorme volume de données concernant tous les aspects du fonctionnement d’un système, ces données provenant toutes de différents types de capteurs.

La fabrication additive présente là un double intérêt : elle peut servir à imprimer les capteurs, mais aussi à les incorporer dans les pièces lors de l’impression. Comme les autres éléments imprimés en 3D, les capteurs peuvent être conçus à la demande et produits en petites quantités de manière rapide et économique. Leur impression peut se faire dans un grand nombre de matériaux différents, dont les alliages de nickel et les aciers inoxydables au nickel. Leurs dimensions vont d’un ordre de grandeur inférieur au micron jusqu’à de très grandes échelles. Il est possible d’imprimer des capteurs de déformation, de pression, de force, de débit, de vibrations et de bien d’autres types. Au fur et à mesure que les besoins en capteurs progressent, la quantité produite par impression 3D augmente.

Figure 4. La structure stratifiée des boulettes de ferronickel (foncé = riche en nickel ; clair = riche en fer)

mentant la fabrication additive métallique (environ 3 000 tonnes en 2020), celle-ci devrait poursuivre sa forte croissance

sélectionner les zones de dépôt en les chauffant au moyen d’un faisceau laser de haute précision, de manière

et le nickel continuera de jouer un rôle essentiel dans de nombreuses applications.

à imprimer des objets en nickel en 3D

L’impression 3D à base de superalliages

(figure 5). Ces techniques de fabrication

de nickel est un domaine de recherche

additive métallique par dépôt en phase

particulièrement actif, vu son fort

vapeur en sont encore au stade de la

potentiel dans des secteurs tels que ceux

mise au point en laboratoire. En 2020,

de l’aérospatiale et de l’outillage.

les principaux métaux utilisés sont le

Poursuivant son évolution rapide, la

titane, l’acier inoxydable, les aciers à

fabrication additive métallique a le

outils, l’aluminium et les superalliages au

potentiel de devenir l’une des techniques

nickel. Vu son importance dans les aciers

les plus révolutionnaires dans le travail

inoxydables et dans nombre d’alliages

des métaux. L’aérospatiale, habituelle-

essentiels pour l’aérospatiale, pour la

ment l’une des premières à adopter les

production d’outils et pour d’autres

technologies novatrices, ouvre la voie de

utilisations exigeantes, le nickel est un

ses applications, suivie de près par les

composant tout aussi nécessaire dans la fabrication additive des pièces en métal à forte valeur ajoutée. Bien que le volume total des métaux utilisés dans les techniques de formage traditionnelles

secteurs de l’outillage et des appareils médicaux. Il reste d’importantes questions à régler : sécurité et réglementation de l’emploi des particules de métal ; volumes de production limités par un manque de rendement des procédés ; contraintes d’encombrement du matériel ; longueur des temps de fabrication ; offre

Faisceau laser M2N TECHNOLOGIES

dépasse de très loin celui des poudres ali-

Précurseur

accessible ; mise au point des normes,

E = hv

bonnes pratiques et cahiers des charges Photolytique

Pyrolytique E = cT

limitée de poudres de métaux à prix

nécessaires à l’adoption par les différents segments de l’industrie.

Dépôt

Substrat

Le nickel sera certainement l’un des éléments prépondérants dans les poudres

Un capteur de pression en acier inoxydable imprimé en 3D

10 | NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020

métalliques alimentant ces nouveaux Figure 5. Dépôt sélectif guidé par faisceau laser à partir d’un précurseur métallique en phase vapeur

procédés, qui font naître les pièces à haut rendement de la prochaine génération de produits dans différentes industries.

L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE EN PASSE D’OPTIMISER L’USAGE DU NICKEL ?

Depuis quelques années, l’intelligence artificielle (IA) s’introduit dans de nombreux domaines du quotidien tout comme dans l’industrie, où elle intervient dans la mise au point de nouveaux alliages.

La création d’un nouvel alliage mobilise

volume de données. Son algorithme

généralement une équipe de chercheurs

d’apprentissage profond peut regrouper

pendant une dizaine d’années. Elle

les informations pour générer des

requiert un haut degré d’expertise et de

diagrammes corrélant plusieurs facteurs

compréhension des interactions entre les

par lecture et sélection de mots associés

différents éléments d’alliage afin d’obtenir

aux procédés de fabrication, aux

les propriétés souhaitées et d’aboutir à

structures et aux propriétés physiques

un procédé de production rentable. L’IA

des alliages métalliques. Actuellement, le

est susceptible de raccourcir nettement

logiciel extrait des données de la base de

le temps de mise au point et d’appuyer

données Elsevier, mais il est également

même les concepteurs inexpérimentés.

possible d’adapter et d’élargir son

Au Japon, l’équipe d’Ikumu Watanabe,

fonctionnement à la lecture des données

directeur de recherche à l’Institut

techniques propres à une entreprise

national de science des matériaux, a

ainsi qu’au recueil de mégadonnées

créé un logiciel intelligent d’aide à la

disponibles sur Internet. Pour le moment,

mise au point qui calcule la composition

il établit seulement des corrélations

chimique et le procédé de fabrication

qualitatives ; cependant, l’objectif à terme

convenant le mieux pour obtenir les

est de l’amener à traiter des données

propriétés requises dans la production

quantitatives pour des applications réelles

des alliages, notamment ceux contenant

bien définies.

du nickel. Ce logiciel détermine les

L’outil présente nombre d’avantages pour

corrélations entre une multiplicité de

les utilisateurs finaux. Par exemple, si

propriétés, de structures et de procédés

l’on parvient à améliorer la résistance à

de production, et permet ainsi d’amélio-

la chaleur d’un alliage de nickel existant,

rer les caractéristiques de l’alliage. Il peut

il devient alors possible de réduire la

s’agir par exemple de créer un matériau offrant à la fois résistance à la chaleur et au fluage et stabilité de phase. En pratique, le renforcement d’une propriété nécessite souvent d’en sacrifier d’autres.

Pour les concepteurs, la difficulté réside donc dans l’obtention du bon équilibre, et c’est là que l’IA peut rendre service.

Le logiciel nécessite un énorme

consommation de carburant d’un aéronef ou le rendement énergétique d’une centrale thermique, et par là même de

À partir de données d’entrée définissant des propriétés telles que module d’élasticité, robustesse, ductilité, limite d’endurance, soudabilité et stabilité de phase, le logiciel calcule la manière d’obtenir les propriétés physiques requises pour le nouvel alliage.

diminuer leurs émissions de CO2. Ainsi, l’intelligence artificielle a le potentiel d’accélérer la création et la mise en service d’alliages de nickel supérieurs offrant des retombées environnementales avantageuses pour la société.

NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020 | 11

HTTPS://WWW.ENVIRONMENTAL-EXPERT.COM/COMPANIES/KCM-SPECIAL-STEEL-CO-LTD-100088/

DES ALLIAGES DE NICKEL ET DE CUIVRE AU SERVICE DE LA CONQUÊTE SPATIALE

Il est notoire qu’environ 70 % de la production totale de nickel sert à fabriquer de l’acier inoxydable. Cet alliage a été découvert de manière indépendante par plusieurs chercheurs en 1912 ; cependant, d’autres alliages de nickel résistants à la corrosion le précèdent. Un alliage de nickel et de cuivre mis au point par l’International Nickel Company (INCO) a été breveté dès 1906. Il s’agissait du premier des alliages Monel®, un groupe de matériaux contenant environ deux tiers de nickel et un tiers de cuivre.

12 | NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020

Plus robustes que le nickel pur, les

structural offrant une plus grande

alliages Monel possèdent une excellente

robustesse, le Monel K-500 (N05500).

résistance à la corrosion dans toute une

La précipitation des particules de phase

série de milieux acides non oxydants

gamma prime (γ') permet d’obtenir une

et alcalins, notamment les flux rapides

limite d’élasticité dépassant les 690 Mpa,

d’eau de mer. Ils offrent une résistance

soit environ trois fois supérieure à celle

exceptionnelle à toutes les concentrations

du Monel 400 (N04400).

d’acide fluorhydrique jusqu’au point

Applications aérospatiales

d’ébullition, et ils résistent également à

Les alliages Monel servent à fabriquer

de nombreuses concentrations d’acides

différents types de tubes, tuyaux, barres

sulfurique et chlorhydrique en milieu

et fils utilisés dans l’aérospatiale. Ajoutant

réducteur.

sa grande robustesse à l’excellente

Caractéristiques

tenue aux températures négatives et à

Les alliages Monel possèdent aussi une

la résistance naturelle à l’oxydation qui

excellente résistance à l’oxydation dans

caractérisent les alliages Monel, le K-500

les environnements riches en oxygène

occupe une place importante dans la

et d’excellentes propriétés mécaniques

fabrication des turbopompes de la partie

sur une plage allant des températures

comburant des moteurs-fusées à ergols

négatives jusqu’à 550 °C. Ils se prêtent

liquides tels que le BE-4 de Blue Origin.

facilement au travail à chaud ou à froid, à

Blue Origin tire parti de la fabrication

l’usinage et au soudage. Le plus connu est

additive pour de nombreux éléments

le Monel 400 (N04400), qui ne peut être

essentiels de sa turbopompe à oxygène.

durci que par écrouissage ; cependant,

Son corps se compose d’un seul bloc d’alu-

en 1924, l’ajout d’aluminium et de titane

minium imprimé en 3D, et tous les étages

a produit une variante à durcissement

de la turbine hydraulique sont imprimés en

Ci-contre à gauche : Le corps de la turbopompe à oxygène du moteur-fusée BE-4 de Blue Origin est constitué d’un seul bloc d’aluminium imprimé en 3D, et tous les étages de la turbine hydraulique sont imprimés en K-500.

Ci-contre à droite : Un mécanicien inspecte la turbopompe à oxygène. © BLUE ORIGIN, 2007, 2020.

Ci-dessous à gauche : L’emplacement de la turbopompe à oxygène, visible dans le quart inférieur gauche de l’image.

nécessite qu’un usinage minime.

passages d’écoulement internes com-

Aujourd’hui encore, les alliages Monel

plexes beaucoup moins difficile qu’avec

mis au point il y a plus d’un siècle

les méthodes traditionnelles. Les buses

continuent de jouer un rôle essentiel dans

et rotors de la turbine sont également

les réalisations d’avant-garde les plus

imprimés en 3D, et leur ajustement ne

exigeantes.

WIKIMEDIA COMMONS

K-500. Ce procédé rend l’intégration des

© BLUE ORIGIN, 2007, 2020.

Ci-dessous à droite : Le lanceur New Glenn de Blue Origin

NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020 | 13

LE SAVIEZ-VOUS ?

LES EXPERTS DU NICKEL INSTITUTE RÉPONDENT À VOS QUESTIONS

Q R

Question : Pourquoi les aciers inoxydables austénitiques tels que le 304 ont-ils parfois des propriétés magnétiques ?

Perméabilité magnétique pour H = 50

https://inquiries.nickelinstitute.org/

Dans la plupart des cas, cette attraction magnétique a peu d’importance. En fait, le gain de résistance à la traction qui l’accompagne est avantageux dans la production d’éléments tels que les enrouleurs de ceinture de sécurité, les ressorts

14 | NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020

Effet de l’écrouissage sur la perméabilité magnétique des aciers inoxydables au chrome-nickel 15

301 (S30100) 304 (S30400)

12

316 (S31600)

9

310 (S31000)

6 3 0

20

40

60

Réduction à froid (%)

80

en fil ou à lamelle, et même les aiguilles chirurgicales. Cependant, elle risque de poser des problèmes pour certains dispositifs pouvant être influencés par de faibles champs magnétiques, comme les appareils d’IRM (imagerie par résonance magnétique). Dans ces situations, on utilise des nuances possédant une structure austénitique stable, dont la teneur en nickel est plus élevée.

Une question ?

NICKEL

LIGNE

Visiter inquiries.nickelinstitute.org

EN

Geir Moe est l’ingénieur chargé de coordonner le service d’information technique du Nickel Institute.

Constituée d’experts techniques situés dans le monde entier, son équipe se tient à la disposition des utilisateurs et prescripteurs de matériaux contenant du nickel pour leur apporter gratuitement des conseils techniques sur une vaste gamme d’utilisations de ce métal (aciers inoxydables, alliages de nickel, nickelage, etc.) et leur permettre ainsi de tirer parti de ses nombreux avantages en toute confiance.

Réponse : Au-dessus d’environ 727 °C, l’acier présente une microstructure amagnétique appelée austénite. En dessous de cette température, il présente une structure magnétique appelée ferrite.

L’ajout d’une quantité suffisante de nickel rend l’austénite stable à température ambiante. C’est pourquoi les aciers inoxydables austénitiques tels que le 304 sont amagnétiques. Cependant, l’austénite du 304 (S30400), comme celle du 301 (S30100), est métastable. Cela veut dire que lors d’une déformation plastique (écrouissage), une partie de l’austénite peut se transformer en une autre microstructure magnétique appelée martensite d’écrouissage, qui renforce la résistance à la traction. Le gain de teneur en martensite, et donc d’attraction magnétique et de résistance à la traction, est d’autant plus élevé que la déformation plastique est grande.

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG

ABONNEZ-VOUS pour recevoir gratuitement un exemplaire imprimé de la revue Nickel en anglais ou un avis par courriel dès la parution d’un nouveau numéro. www.nickelinstitute.org LISEZ la revue Nickel (disponible en ligne en plusieurs langues). www.nickelinstitute.org/library/ CONSULTEZ LES ANCIENS NUMÉROS de la revue Nickel dans nos archives en ligne, qui remontent jusqu’à juillet 2009. www.nickelinstitute.org/library/ SUIVEZ-NOUS sur Twitter : @NickelInstitute JOIGNEZ-VOUS À NOUS sur LinkedIn, en visitant la page du Nickel Institute.

VISIONNEZ les vidéos de la chaîne YouTube du Nickel Institute : www.youtube.com/user/NickelInstitute

Nouvelle publication Le guide de sélection des alliages utilisés au contact des acides organiques, disponible en anglais sous le titre Alloy selection for service in organic acid (10 063), examine l’effet corrosif des agents organiques, tels que l’acide formique, l’acide acétique et les acides gras, et ce à toutes les concentrations.

L’action corrosive des acides organiques est complexe, car ils ne sont pas traités isolément, mais plutôt dans des mélanges industriels contenant aussi des acides inorganiques, des solvants organiques et

des sels. Les acides organiques figurent aujourd’hui parmi les produits chimiques les plus importants de l’industrie. Ce sont les constituants de base de nombreux composés, depuis les médicaments tels que l’aspirine jusqu’aux plastiques et aux fibres. Cette publication technique du Nickel Institute, entièrement refondue, constitue un guide utile pour les ingénieurs en génie des matériaux. À télécharger gratuitement sur www.nickelinstitute.org.

Une nouvelle analyse du cycle de vie du nickel Les dernières données d’analyse du cycle de vie du nickel métallique, du ferronickel et du sulfate de nickel (année de référence 2017) sont désormais disponibles. Ce rapport donne une vue d’ensemble à la fois robuste et transparente des intrants (énergie, produits chimiques ou eau) et des extrants (déchets ou émissions dans l’atmosphère ou dans les eaux) de la production industrielle de nickel. Neuf entreprises membres du Nickel Institute et 24 sites de production du monde entier y ont participé. « L’étude représente 52 % de la production mondiale de nickel métallique, 47 % de celle de ferronickel et 15 % de celle de sulfate de nickel », explique Mark Mistry,

CODES UNS

qui a dirigé ce projet au Nickel Institute. « Elle s’est effectuée dans le respect des normes ISO et elle a fait l’objet d’un examen critique indépendant. Il s’agit de la troisième actualisation des données sur le cycle de vie du nickel. Elle témoigne de la détermination des entreprises membres du Nickel Institute à mettre des informations de grande qualité à la disposition des clients et des utilisateurs finaux. » Les résumés infographiques sont disponibles en téléchargement sur le site Web du Nickel Institute. La version intégrale du rapport est disponible sur demande : communications@nickelinstitute.org

Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).

UNS

Al

C

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

Nb

N

Ni

P

S

Si

Ti

S17400 p. 8

-

0,07 max.

15,0 à 17,5

3,00 à 5,00

restant

1,00 max.

-

0,15 à 0,45

-

3,00 à 5,00

0,040 max.

0,030 max.

1,00 max.

-

S30100 p. 14

-

0,15 max.

16,0 à 18,0

-

restant

2,00 max.

-

-

0,10 max.

6,0 à 8,0

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

-

S30400 p. 2, 14

-

0,08 max.

18,0 à 20,0

-

restant

2,00 max.

-

-

-

8,0 à 10,5

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

-

S31600 p. 14

-

0,08 max.

16,0 à 18,0

-

restant

2,00 max.

-

-

-

10,0 à 14,0

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

-

NO4400 p. 11

-

0,3 max.

-

restant

2,50 max.

2,00 max.

-

-

-

63,0 à 70,0

-

0,024 max.

0,50 max.

-

NO5500 p. 11

2,30 à 3,15

0,25 max.

-

restant

2,00 max.

1,50 max.

-

-

-

63,0 à 70,0

-

0,01 max.

0,50 max.

0,35 à 0,85

NICKEL, VOL. 35, Nº 2. 2020 | 15

SPACEX

LA FIN DES LANCEURS CONSOMMABLES

Les deux propulseurs d’appoint du lanceur lourd Falcon Heavy (soit les deux tiers de l’ensemble) font leur retour côte à côte au Centre spatial Kennedy en février 2018.

Vingt-cinq des 30 essais de posé sur plateforme en mer ont réussi. Au fur et à mesure de l’expérience, les échecs sont devenus l’exception plutôt que la règle.

On n’y est pas encore, mais le stade des débuts héroïques est dépassé. Les lanceurs réutilisables sont en voie de banalisation : SpaceX a accompli plus de 50 récupérations du premier étage de ses lanceurs Falcon 9, et trois de ces premiers étages ont été lancés cinq fois. Le Crew Dragon de SpaceX, une capsule spatiale rapidement réutilisable, a conclu sa première mission habitée par un retour triomphant le 2 août 2020. Avec ce véhicule économique, fini la sensation du neuf : il servira de nouveau, à la rigueur après un bon décrassage.

Au fil du spectacle, l’attention se porte davantage sur les étages que sur les dix moteurs-fusées Merlin (neuf pour le premier étage et un pour le second). À chaque retour d’un premier étage, celui-ci se pose avec ses neuf moteurs-fusées Merlin intacts, prêts à être ravitaillés et réutilisés. L’objectif est d’accomplir dix

16 | NICKEL, VOL. 35, NICKEL, VOL. 35, Nº 2.Nº 2.

20202020

lancements avant chaque remise à neuf et remise en service.

La durée de vie utile reste à déterminer, mais les quelque 1125 kg d’alliages au nickel finiront par être récupérés et recyclés… à l’exception des éléments conservés dans les musées pour témoigner de l’ingéniosité humaine.