LA REVUE SPÉCIALISÉE DU NICKEL ET DE SES APPLICATIONS
NICKEL, VOL. 39, Nº 2. 2024
La bonne dose de nickel
Le nickel dans les aciers faiblement alliés
Du nickel sur Mars : SpaceX lance sa mégafusée
Topsoe : un entretien avec Maria Jose Landeira Oestergaard
ÉTUDE DE CAS 31 L’ICON OF THE SEAS DE ROYAL CARIBBEAN
L’Icon of the Seas est un navire de croisière construit pour la compagnie Royal Caribbean. Mis en service au départ de Miami le 27 janvier 2024 et long de près de 365 m avec un maître-bau approchant les 50 m et une jauge brute de 248 663 tonneaux (704 135 m 3), c’est le plus grand paquebot jamais construit à ce jour. En plus de ses 2 350 membres d’équipage, il peut accueillir 5 610 passagers en occupation double et 7 600 passagers en capacité maximale.
Pour ce chantier, Stalatube a fourni les éléments suivants :
profilés creux en 316L (UNS S31603, EN 1.4404) de 100 × 60 × 5,0 mm et 100 × 100 × 5,0 mm ;
profilés creux en 316Ti (UNS S31635, EN 1.4571) de 80 × 60 × 5,0 mm ;
profilés creux en 316 (UNS S31600, EN 1.4401) de 120 × 80 × 5 × 6000 mm à deux soudures longitudinales.
L’acier inoxydable au nickel a été choisi pour nombre de composants devant résister aux conditions météorologiques les plus rigoureuses.
Stalatube, une entreprise de métallerie en acier inoxydable, a collaboré avec son partenaire de longue date Tuteka, un fournisseur du secteur maritime. Stalatube a fourni à Tuteka les poutres et profilés en acier inoxydable qui ont servi à construire les rampes d’escalier et pare-vent vitrés équipant le parc aquatique du pont supérieur. Les pare-vent sont
conçus pour supporter des conditions météorologiques extrêmes, comme des vents de 270 km/h, mais aussi le poids élevé des vitres, si bien que les montants doivent être à la fois rigides et résistants à la corrosion en milieu maritime. Les éléments de structure en acier inoxydable ont aussi servi à construire les tuyaux de ventilation coniques s’intégrant à l’esthétique du navire. Les partenaires se préparent pour la construction de deux nouveaux paquebots ultramodernes prévue au chantier naval de Turku, en Finlande, dans les années à venir.
ÉDITORIAL JUSTE LA BONNE DOSE
Mettre au point un nouvel alliage, c’est compliqué. Déterminer quelle combinaison d’éléments d’alliage utiliser pour produire l’acier allié le mieux adapté à un usage donné est à la fois un art et une science. Trouver la bonne dose de nickel pour chaque alliage, tel est le défi qui se pose aux métallurgistes et aux ingénieurs. Il s’agit d’arriver à la teneur en nickel optimale pour obtenir les propriétés requises au meilleur coût possible. Et comme le montre le diagramme ci-dessous, souvent c’est juste une petite dose de nickel qui fait la différence, en conférant à l’alliage le juste degré de ténacité, de résistance aux contraintes, de tenue thermique et de soudabilité. Ce numéro de Nickel présente la recherche des meilleurs alliages pour répondre aux exigences techniques d’éoliennes en mer toujours plus hautes.
Teneur moyenne en nickel des aciers alliés en %
TENEUR MOYENNE EN NICKEL PAR TYPE D’ACIERS ALLIÉS
Aciers maraging Aciers cryogéniques Aciers de blindage ou de protection Aciers pour cémentation Acier pour traitement thermique Aciers à haute résistance Aciers résistants à l’eau Aciers pour service sous pression Moyenne des aciers alliés
Il va sans dire que les conditions extrêmes des voyages spatiaux sont encore plus rigoureuses que celles du milieu corrosif caractérisant les océans. L’article de la page 8 montre comment Elon Musk compte sur l’acier inoxydable au nickel pour que son vaisseau spatial Starship aille encore plus loin et permette un jour un aller-retour vers Mars.
En attendant, l’acier inoxydable au nickel continue de briller plus près de nous dans d’autres conditions rigoureuses. En Australie, une structure artistique subaquatique du sculpteur britannique Jason deCaires Taylor (en quatrième de couverture) sert de sanctuaire à des espèces vulnérables. Cette serre de coralliculture haute de 16 m est immergée sous 16 m d’eau dans l’océan Pacifique. Il s’agit juste de quelques exemples montrant comment on peut aller plus haut, plus loin ou plus profond quand on a juste la bonne dose de nickel.
La serre à coraux
L’acier inoxydable au nickel confère stabilité et durabilité à la structure d’une serre subaquatique abritant la croissance des coraux et autres formes de vie marine sur le récif John Brewer, dans la Grande Barrière de corail (Australie).
RICHARD-WOODGETT
02 Étude de cas 31
L’ Icon of the Seas de Royal Caribbean
NICKEL SOMMAIRE
Juste la bonne dose
Fusion des latérites
mégafusée de SpaceX
Un décollage nickel
Entretien avec Maria Jose Landeira Oestergaard
12 Juste la bonne dose
Le nickel dans les aciers faiblement alliés
13 Alliages au nickel
Nitinol : le métal qui se souvient
14 Le saviez-vous ?
15 Pourquoi le nickel ?
15 Codes UNS
16 Musée sous-marin
Jason deCaires Taylor
La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org
Président : Hudson Bates
Rédactrice en chef : Clare Richardson communications@nickelinstitute.org
Collaborateurs : Gary Coates, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Lyle Trytten, Odette Ziezold
Conception : Constructive Communications
Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y er 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.
ISSN 0829-8351
Imprimé au Canada, sur papier recyclé, par Hayes Print Group
Photos de banques d’images : bytecodeminer (couverture), iStock©enviromantic (page 6), iStock©ratpack223 (page 12).
Amélioration des catalyseurs bifonctionnels
Un groupe de recherche coréen a conçu une méthode innovante utilisant des catalyseurs bifonctionnels en alliage platine-nickel pour améliorer la réversibilité et la durabilité des électrodes. Composée de membres de lʼuniversité des sciences et technologies de Pohang (Postech), de lʼuniversité Yonsei et du Centre de recherche sur les énergies propres de lʼInstitut coréen des sciences et de la technologie (KIST), lʼéquipe a remplacé différents catalyseurs par des catalyseurs bifonctionnels platine-nickel. Ces nouveaux catalyseurs en alliage ont une structure octaédrique pouvant entraîner des réactions tant réductrices quʼoxydantes. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives dans le développement des catalyseurs bifonctionnels, une technologie importante pour la conversion électrochimique de lʼénergie. Il contribuera aussi dans lʼavenir à la commercialisation et à la neutralité carbone des systèmes électrochimiques tels que les piles à combustible réversibles unifiées (URFC).
Principes directeurs du développement durable
Le monde prend de plus en plus conscience du rôle stratégique essentiel que joue le nickel dans la transition énergétique et la mobilité durable. La production mondiale de nickel a le vent en poupe, y compris dans des régions où lʼon connaît moins ce métal et son usage responsable. Le savoir et lʼexpertise que le Nickel Institute accumule depuis plus de 40 ans ont guidé la mise au point des principes directeurs du développement durable quʼil a publiés en anglais sous le titre Sustainability Guiding Principles. Ces principes propres à lʼemploi du nickel aident les entreprises à se donner de solides normes environnementales, sociales et gouvernantielles (ESG) et à agir dʼun bout à lʼautre du secteur et de sa chaîne de valeur. La nouvelle publication, disponible en téléchargement sur www.nickelinstitute.org, apporte des ressources et références utiles.
Une première pour l’Inde
Haut de 62 m, le premier immeuble dʼInde à arborer une charpente diagrille en acier inoxydable est un modèle dʼinnovation en construction parasismique et écoénergétique. Situé à Chennai, le nouveau siège de lʼUIIC (United India Insurance Company) se distingue par les courbes de son profil réalisées avec environ 1000 tonnes dʼacier inoxydable 316L (S31603) de haute qualité. Cette structure sans poteaux redéfinit les conventions du bâtiment. Les résilles dʼacier inoxydable constituent la principale structure porteuse de lʼédifice. Pour Abhyuday Jindal, directeur général de Jindal Stainless, « cʼest une merveille architecturale en verre et acier inoxydable, et sans aucun doute un régal pour les yeux ».
Un nouveau revêtement
marinisé
Les entreprises américaines Sigma Fasteners, Dipsol et Integran ont mis au point ensemble un revêtement zinc-nickel nanostructuré destiné à lʼexploitation pétrogazière en mer, où les conditions rigoureuses appellent des solutions innovantes. Commercialisé sous la marque ZNnGard™, ce revêtement technique est conçu pour remplacer les revêtements au cadmium afin dʼéliminer les problèmes de sécurité pour le personnel et lʼenvironnement tout en améliorant nettement le rendement et le coût global. Produit au moyen dʼun procédé exclusif dʼélectrodéposition par courants pulsés utilisant un bain alcalin Zn-Ni, il offre de nombreux avantages : dureté améliorée, résistance à la corrosion, excellente adhérence, grande uniformité dimensionnelle, pas de fragilisation par lʼhydrogène et fini de surface supérieur. « Nous sommes heureux de répondre à la demande du marché en lançant ce procédé qui résout des problèmes de longue date », nous dit Steve Cabral, de Sigma Fasteners.
L’INDUSTRIE DU NICKEL, PARTIE 2 TRAITEMENT DU NICKEL : FUSION DES LATÉRITES
La partie 2 de cette série examine plus en détail les latérites, l’un des deux principaux types de minerai de nickel, ainsi que leur procédé de traitement le plus courant : la fusion.
Les latérites représentent à ce jour plus de 70 % de la production de nickel et des ressources terrestres connues, et c’est depuis quelque temps la source de nickel qui progresse le plus vite.
Gisements de latérites
Les gisements de latérite sont des couches minérales qui se sont déposées sur la roche-mère sous l’effet de l’érosion par ruissellement. Il existe différents types de gisements latéritiques, dont certains peuvent contenir de l’aluminium (bauxite) ou de l’or, leur composition étant déterminée par celle de la roche-mère et par le degré d’érosion. Les latérites nickélifères proviennent de roches-mères riches en magnésium contenant des roches silicatées à faible teneur en nickel. Sous l’effet de l’érosion, les éléments sont dissous et déplacés avant de se recristalliser. Ces processus peuvent produire des gisements latéritiques en moins d’un million d’années, quoique certaines roches exposées en zones tempérées ou boréales ne soient pas pleinement altérées après plus d’un milliard d’années.
Les deux principaux procédés de traitement des minerais latéritiques sont la fusion et la lixiviation acide à haute pression (HPAL, pour High-Pressure Acid Leaching). La fusion s’emploie surtout avec les saprolites pour obtenir un alliage fer-nickel (ferronickel ou fonte brute de nickel), tandis que la lixiviation acide à haute pression sert surtout à traiter les limonites pour obtenir des produits finaux de plus grande pureté.
Fusion des latérites
Aujourd’hui, la fusion se fait généralement en associant un four rotatif et un four à arc électrique (procédé RKEF, pour Rotary Kiln–Electric Furnace), et moins souvent avec un haut-fourneau. Le procédé RKEF consiste en trois grandes étapes : séchage, réduction et fusion. Il sert normalement à la fusion des saprolites, mais il peut aussi fusionner les limonites. La plupart des unités suivent le procédé décrit ci-dessous, mais il y a des exceptions.
Procédé RKEF
Le minerai préparé (broyé et mélangé comme il convient) est séché dans un tambour rotatif généralement chauffé à plus de 100 °C au charbon ou au gaz. Il s’agit de produire pour les étapes suivantes un matériau qui n’est ni collant ni poussiéreux.
Le minerai séché est ensuite transféré dans un four rotatif pour compléter le séchage et commencer le traitement chimique. Alimenté par des combustibles fossiles, le four rotatif porte la température à environ 900 °C. On y ajoute aussi un produit à forte teneur en carbone (tel que du charbon anthraciteux) comme agent réducteur pour extraire l’oxygène des oxydes de fer et de nickel et pouvoir ainsi récupérer les métaux. On peut aussi y ajouter du calcaire pour ajuster la réaction chimique. Chacun des deux équipements
rotatifs produit des poussières qu’il faut extraire des gaz évacués, puis recycler en les mélangeant à la matière première du procédé, ce qui ajoute à sa complexité.
Le minerai ainsi chauffé et partiellement réduit est alors transféré dans le four à arc électrique pour compléter la réduction chimique. Le minerai est porté à une température de fusion d’environ 1500 °C obtenue au moyen de l’arc électrique, de la réaction avec le carbone ajouté auparavant et de la réaction avec les électrodes au carbone qui se consument lentement. Il en résulte un liquide métallique fer-nickel qui se dépose au fond du four pour en être extrait, tandis que les autres éléments forment un laitier flottant au-dessus du métal. L’alliage fer-nickel en fusion est raffiné de manière à en éliminer les matériaux nuisibles aux procédés sidérurgiques ultérieurs, puis converti en formes solides transportables ou, dans certaines installations intégrées récentes, transféré tel quel vers un équipement sidérurgique.
Les grands équipements rotatifs doivent fonctionner en continu et à haute température sur des ensembles de roulements bien entretenus. Les fours à arc électrique nécessitent en permanence une très grande puissance d’alimentation électrique, allant pour certains équipements jusqu’à 40 MWh
par tonne de nickel produite. La plupart des fours nécessitent des systèmes de refroidissement sophistiqués pour préserver la longévité de leur revêtement.
La fusion consomme une très grande quantité d’énergie, qui provient de combustibles fossiles tant pour le chauffage que pour la réduction chimique, ainsi que du réseau électrique. La pollution atmosphérique résultant de la combustion du charbon est similaire à celle des centrales électriques à charbon, pourvu que le lavage des gaz élimine bien les poussières métalliques. Le laitier résiduel est plutôt stable et peut souvent servir de matériau de construction.
Perspective du cycle de vie complet Pour un métal largement recyclé comme le nickel, l’impact environnemental de sa production initiale peut s’amortir avec le temps s’il est souvent récupéré à la fin du cycle de vie d’un produit et réutilisé dans un autre (batteries au nickel, acier inoxydable au nickel, etc.). Le cycle de vie complet du nickel est généralement beaucoup plus long que celui des produits auxquels il est incorporé.
Dans la prochaine édition de Nickel , la troisième partie de cette série se penchera sur la lixiviation acide à haute pression, de plus en plus utilisée pour fournir aux fabricants de batteries des composés intermédiaires au nickel.
Charbon thermique
Minerai humide (saprolite) SÉCHEUR ROTATIF
Charbon thermique
Charbon réducteur
Pâte à électrodes
Électricité
FOUR DE FUSION
Ferronickel brut ou fonte brute de
Les sécheurs rotatifs font généralement de 3 à 5 m de diamètre sur 30 à 50 m de long, tandis que les fours rotatifs peuvent largement dépasser les 100 m de long.
Composition type dʼun gisement de latérite nickélifère
ferrugineuse (surchargée)
UN DÉCOLLAGE NICKEL SPACEX LANCE SA MÉGAFUSÉE
La NASA compte sur la réussite de la mégafusée Starship pour le retour des missions lunaires habitées, dont la dernière (Apollo 17) date de 1972. SpaceX a pour objectif de lancer de nouvelles missions habitées non seulement vers la lune, mais aussi bien au-delà pour atteindre Mars.
SpaceX poursuit la mise au point de Starship, son lanceur super lourd à deux étages. Son quatrième vol d’essai a eu lieu en juin 2024 et il y avait du nickel à bord. Sa présence était essentielle pour optimiser la résistance et la résilience du lanceur tout en apportant des économies d’échelle.
Les vols d’essai servent à recueillir des enseignements et à faire progresser les volets réussis du programme. Le quatrième vol constitue une étape importante, car c’est la plus grande et la plus puissante fusée jamais lancée.
Le lanceur Starship comprend deux étages : le propulseur Super Heavy et le véhicule spatial Starship. Leur structure principale est en acier inoxydable au nickel de la série 300. Les prototypes étaient en 304L (UNS S30403), ce qui est peut-être encore le cas, quoique SpaceX ait laissé entendre que le matériau final pourrait être une autre nuance de
la série 300 présentant des propriétés spécialement optimisées.
Les deux étages sont équipés de moteurs-fusées Raptor, dont la chambre de combustion est en alliage de nickel 718 (N07718) en raison de son exceptionnelle résistance aux contraintes et à la chaleur.
À l’origine, il s’agissait de construire un lanceur en fibre de carbone, en raison de sa haute résistance à la traction et de sa faible densité. Cependant, en décembre 2018, on lui a préféré un autre matériau de structure : l’acier inoxydable de série 300. Elon Musk a
Cette représentation d’artiste préfigure-telle la vie sur Mars ?
cité plusieurs raisons pour ce passage à l’acier inoxydable, notamment son moindre coût, sa facilité de fabrication, sa plus grande résistance aux températures cryogéniques et sa capacité à supporter des températures très élevées.
Pour Elon Musk, la fi bre de carbone est incroyablement chère, avec un coût de l’ordre de 135 $/kg et des procédés de découpe et de mise en forme entraînant à eux seuls jusqu’à 35 % de pertes de matériau, alors que l’acier inoxydable coûte moins de 3 $/kg et subit très peu de pertes.
L’acier inoxydable bénéficie aussi d’un point de fusion élevé qui lui permet de résister aux très hautes températures lors de la rentrée dans l’atmosphère et de réduire ainsi les besoins de protection thermique.
De plus, ce matériau off re des procédés de fabrication beaucoup plus faciles et rapides.
La fabrication se fait par superposition et soudage de tubes d’acier inoxydable, selon un procédé pas plus difficile que celui servant normalement à construire des citernes. Comme le lanceur doit être réutilisable, les réparations sont possibles et faciles à réaliser.
Dans l’ensemble, l’acier inoxydable au nickel aide le lanceur Starship à atteindre ses principaux objectifs : maîtrise des coûts de lancement, réutilisation des deux étages, accroissement de la masse de charge utile et de la fréquence des lancements, et enfi n création d’une fi lière de fabrication en série, le tout pouvant s’adapter à un large éventail de missions spatiales. Considéré comme réussi, le tout dernier lancement fait progresser l’ambitieuse mission de SpaceX : établir des colonies humaines sur la Lune et sur Mars.
De haut en bas : le véhicule spatial Starship, le propulseur Super Heavy et le moteur-fusée Raptor.
ENTRETIEN AVEC
MARIA JOSE LANDEIRA OESTERGAARD
DIRECTRICE DE L’EXCELLENCE
OPÉRATIONNELLE CHEZ TOPSOE
Maria Jose Landeira Oestergaard, directrice de l’excellence opérationnelle chez Topsoe
La firme d’ingénierie danoise Topsoe est renommée pour son expertise en catalyse et en technologies de pointe pour les secteurs chimique et pétrochimique. Nous avons interrogé Maria Jose Landeira Oestergard, spécialiste des matériaux et directrice de l’excellence opérationnelle, à propos du rôle du nickel dans les procédés de Topsoe et de sa curiosité dans son domaine de prédilection.
Q : Parlez-nous de vous et de ce qui vous a amenée à vous intéresser aux matériaux. Ma décision de suivre la voie des sciences et technologie était un choix calculé : la chimie semblait offrir le plus de perspectives d’emploi. À l’université, je me suis spécialisée en électrochimie. J’étais fascinée par le fait que des particules aussi minuscules que les électrons gouvernaient toutes les réactions. L’électrochimie m’a amenée à m’intéresser à la corrosion après la lecture de l’article « The Eight Forms of Corrosion » dans l’ouvrage Corrosion Engineering de Fontana et Greene. Puis ma thèse de doctorat sur la corrosion dans les unités de désulfuration m’a conduite à mon premier emploi chez le cimentier FLSmidth.
Q : Quand êtes-vous entrée chez Topsoe ? En 2001. J’étais alors la première spécialiste des matériaux et de leur corrosion chargée de déterminer s’il serait bon pour l’entreprise de disposer de ce savoir en interne. J’ai vite constaté qu’il y avait grand besoin de former les ingénieurs des autres spécialités pour que nous nous comprenions. C’est ainsi que j’ai mis au point la formation interne « matériaux et corrosion », offerte selon les besoins au Danemark, en Inde et dans d’autres sites de Topsoe, tous les 18 mois en moyenne.
Q : Parlez-nous davantage de Topsoe et du rôle du nickel dans les technologies qu’elle inaugure.
L’engagement de Topsoe envers la durabilité est évident dans sa recherche-développement centrée sur la mise au point de technologies réduisant les émissions de gaz à effet de serre et promouvant l’emploi de ressources renouvelables. Nos solutions innovantes répondent aux changements climatiques et au manque de ressources. En améliorant l’efficacité énergétique des procédés et en mettant au point de nouvelles options d’énergie propre, Topsoe joue un rôle essentiel pour accompagner la transition vers un paysage industriel plus durable et respectueux de l’environnement.
L’entreprise s’est démarquée dès 1948 en mettant au point le premier catalyseur au nickel.
Aujourd’hui, Topsoe offre une vaste gamme de procédés et catalyseurs au nickel qui sont essentiels pour produire des combustibles propres à partir de pétrole brut ou de déchets, pour éliminer les émissions nocives des centrales électriques et pour augmenter le rendement des procédés industriels.
Q : Par exemple ?
Forts de nombreuses décennies de recherche et d’innovation scientifiques, nous nous concentrons notamment sur les domaines clés suivants : hydrogène vert ; procédés convertissant électricité renouvelable en combustibles et produits chimiques verts ; captage et utilisation du CO2 ; procédés électrochimiques plus durables pour la production de combustibles et de produits chimiques ; conversion de la biomasse.
Q : Quels matériaux au nickel s’utilisent largement dans les procédés de Topsoe, et pourquoi ?
Les matériaux au nickel font partie intégrante de nombreux procédés de Topsoe, surtout en raison de leurs propriétés catalytiques et de leur durabilité en conditions extrêmes. En voici deux exemples.
Les catalyseurs d’hydrotraitement : Le nickel est un élément clé de la plupart des catalyseurs d’hydrotraitement utilisés dans les raffineries. Il active l’extraction du soufre, de l’azote et des autres impuretés du pétrole brut, et ses excellentes propriétés catalytiques renforcent les réactions d’hydrogénation essentielles à la production de carburants plus propres tels que diesel, essence et kérosène à faible teneur en soufre.
Les catalyseurs de reformage : Les catalyseurs au nickel s’utilisent largement dans la production d’hydrogène par vaporeformage du méthane. Le nickel catalyse efficacement la conversion du méthane et de la vapeur en hydrogène et monoxyde de carbone, selon un procédé fondamental à la production d’hydrogène pour un éventail d’usages industriels.
Q : Quels sont les autres usages de l’acier inoxydable et des alliages au nickel chez Topsoe ?
Pour tous les appareils et tuyauteries, nous sélectionnons les alliages en fonction des mécanismes de dégradation possibles dans le milieu concerné et des propriétés mécaniques requises à température ambiante et à haute température. Les alliages doivent aussi supporter les variations rapides au démarrage et à l’arrêt des systèmes,
ainsi que les pointes de température et de pression.
Les alliages au nickel sont particulièrement importants pour les milieux aqueux à fortes concentrations en chlorures dans les unités d’hydrotraitement, ou pour les milieux secs à très haute température, comme ceux de certains éléments de brûleurs dans la production de gaz de synthèse.
Q : Quelle est la partie la plus intéressante de votre travail ? Qu’est-ce qui vous passionne le plus pour l’avenir ?
Dans mon rôle précédent de spécialiste et directrice des matériaux, le plus intéressant était la sélection des alliages les plus adaptés aux milieux rigoureux, la conduite des analyses de défaillance et l’acquisition des connaissances sur les matériaux et leurs mécanismes de dégradation dans les technologies de Topsoe. Mon but était de rendre mon intervention superflue en mettant sur pied des équipes d’experts des matériaux et de leur corrosion dans les procédés existants et émergents de Topsoe.
Le travail de mise sur pied et de développement d’un service d’experts composé de métallurgistes, d’ingénieurs soudeurs et de spécialistes en analyse par éléments finis est très gratifiant, surtout au vu de l’esprit d’équipe qui se déploie malgré une répartition entre trois sites différents.
Dans ma fonction actuelle au sein de l’équipe Excellence opérationnelle, j’aime planifier et faciliter les projets avec les équipes Analyse de la valeur et AMDEC (Analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité) pour les systèmes exclusifs de Topsoe. Motiver l’équipe à apporter de vraies améliorations aux différents systèmes sans compromettre leur qualité ou leur fiabilité, à produire des résultats de valeur et à les présenter aux parties prenantes concernées, tout cela est très exaltant.
Mon souhait pour l’avenir est de voir se développer les équipes d’accompagnement pour l’analyse des causes profondes, l’analyse de la valeur et l’AMDEC.
Les conseils de Maria Jose Landeira Oestergaard pour les jeunes qui envisagent une carrière touchant au domaine des matériaux :
1. Ne refrénez jamais votre curiosité. Ouvrez-vous aux nouvelles idées et remettez en question le statu quo.
2. Réfléchissez avant d’agir. Face à un défi, on se sent souvent mieux en y faisant quelque chose, mais on risque de ne pas choisir la manière la plus judicieuse de résoudre le problème pour accomplir la tâche.
3. Pour les femmes dans ce secteur, il est important de ne pas avoir peur de donner son avis, d’exprimer ses idées et de montrer ce qu’on vaut. Les stéréotypes du genre « la science est une affaire d’hommes » perdurent. Les femmes de science ne sont pas acceptées dans certains pays, et dans d’autres elles ne sont prises au sérieux qu’une fois qu’elles ont démontré leurs connaissances et leurs capacités.
4. Choisissez une activité, un violon d’Ingres, une passion. Ce qu’on apprend hors de son travail est souvent directement applicable à des situations professionnelles et contribue à enrichir sa personnalité, quel que soit son métier.
À mon avis, il faudrait suivre l’idéal d’Hal dor Topsøe, fondateur de l’entreprise, selon lequel il faut laisser le monde dans un meilleur état que celui dans lequel on l’a trouvé, et je fais de mon mieux chaque jour, au travail et en dehors, pour contribuer à la réalisation de cet idéal.
JUSTE LA BONNE DOSE LE NICKEL DANS LES ACIERS
FAIBLEMENT ALLIÉS
Beaucoup sont surpris d’entendre que le développement de nouveaux aciers faiblement alliés se poursuit activement à l’heure actuelle. N’a-t-on pas déjà tout compris sur les aciers, que l’on produit et utilise depuis des millénaires ? Bien que l’on en sache énormément, il y a sans cesse de nouveaux usages nécessitant des aciers dont les propriétés repoussent les limites existantes.
Prenons par exemple les mâts d’éolienne en mer, qui doivent affronter des conditions extrêmes. Ils doivent résister aux fortes contraintes cycliques exercées par l’action du vent et des vagues tout en tolérant des températures tantôt glaciales, tantôt élevées. Il leur faut aussi une certaine résistance à la corrosion et, plus important, ils doivent conserver ces propriétés après le soudage. Pour porter de plus en plus haut des nacelles de plus en plus massives, les mats peuvent avoir une épaisseur de paroi allant jusqu’à 150 mm et une hauteur atteignant ou dépassant les 140 m.
Et c’est le seul élément d’alliage à améliorer ces deux propriétés à la fois sans nuire significativement à la soudabilité.
Le nickel améliore les propriétés de résistance à la fatigue à la fois dans le métal de base et dans la zone affectée thermiquement (ZAT) d’une soudure.
Cependant, dans les aciers faiblement alliés, le nickel joue un rôle complexe, en particulier quand il est conjugué à d’autres éléments d’alliage. La difficulté consiste à déterminer la teneur en nickel optimale, pour maximiser le rapport coût-avantages. Le Nickel Institute et deux grands producteurs de tôles d’acier sont en train de relever ce défi.
Le diagramme ci-contre montre que l’ajout d’une toute petite quantité de nickel (0,30 %) suffit à améliorer de façon spectaculaire la ténacité à basse température des aciers au carbone ordinaires.
Énergie (J) absorbée à l’essai Charpy avec entaille en V trans
Il est bien connu que le nickel confère à l’acier des propriétés exceptionnelles, notamment une meilleure ténacité (résistance à la rupture et à la propagation des fissures), en particulier à basses températures. Le nickel augmente aussi la résistance aux contraintes d’un alliage.
Ils conduisent ensemble un grand projet de recherche sur trois ans visant à étudier l’effet du nickel sur la ZAT et les propriétés de résistance à la fatigue des tôles d’acier épaisses et de leurs soudures, en utilisant l’alliage couramment utilisé dans les mâts d’éolienne. Exécutée par la firme Salzgitter Mannesmann Forschung, cette recherche a apporté des résultats utiles après la première année. Les porteurs du projet recherchent d’autres partenaires, l’objectif étant de mettre au point un alliage répondant au cahier des charges existant tout en offrant des propriétés améliorées réduisant le coût de fabrication avec « juste la bonne dose » de nickel.
NITINOL LE MÉTAL QUI SE SOUVIENT
Le nitinol (UNS N01555) est un alliage de nickel et de titane en pourcentages atomiques à peu près égaux (55 à 56 % de nickel en poids). Le nitinol se distingue par ses propriétés de mémoire de forme et de superélasticité hors du commun. Avec ses propriétés de mémoire de forme, il se déforme quand on le courbe, mais reprend sa forme d’origine quand il s’échauffe au-delà de sa température de transition.
Ces propriétés résultent d’une transition de phase (une transformation de la structure cristalline). En dessous de la température de transition, sa microstructure est celle de la martensite, tandis qu’au-dessus de cette température, c’est celle de l’austénite.
Au-delà de sa température de transition, le nitinol est superélastique, en raison de la martensite qui se forme dans les zones soumises à une contrainte. Lorsque la contrainte est retirée, la microstructure martensitique revient à l’état austénitique non déformé. Alors que la plupart des métaux ne peuvent tolérer qu’une déformation minime (d’une petite fraction d’un pour cent) avant de changer définitivement de forme, le nitinol peut subir une déformation de 8 % et reprendre sa forme d’origine.
De même, par l’effet de mémoire de forme, le nitinol reprend sa structure initiale après déformation. Pour fixer la forme d’origine, l’alliage doit être maintenu en position et chauffé jusqu’à environ 500 °C. Ce procédé est la mise en forme initiale. En dessous de sa température de transition, le nitinol reprend sa forme initiale après avoir été déformé. Un simple réchauffement du nitinol suffit à retransformer la
martensite produite par la déformation en austénite annulant cette dernière.
De petits changements de composition suffisent à modifier significativement la température de transition de l’alliage. Les températures de transition du nitinol peuvent être fixées dans une plage allant environ de -20 à +110 °C.
Les propriétés du nitinol sont de plus en plus mises à profit pour la fabrication de produits de santé tels que stents, implants et montures de lunettes. Un stent doit être fortement comprimé pour pouvoir être inséré dans une artère, mais une fois libéré, il se déploie largement pour épouser sa paroi interne et maintenir son ouverture.
Un trombone déformé reprend sa forme initiale après une immersion dans de l’eau chaude.
Les stents en nitinol peuvent être façonnés à une température donnée, repliés à un plus petit diamètre à une autre température, puis introduits dans une artère, où la chaleur de l’organisme ramène le matériau au-dessus de sa température de transformation pour qu’il reprenne sa taille d’origine.
NICKEL, VOL. 39, Nº 2. 2024 | 13
Pont de lunettes en nitinol
LE SAVIEZ-VOUS ?
LES EXPERTS DU NICKEL INSTITUTE RÉPONDENT
À VOS QUESTIONS
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 confi ance. https://inquiries.nickelinstitute.org/
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Q : L’acier inoxydable de nuance 316L convient-il pour un réservoir d’eau chaude utilisé avec de l’eau potable à 20 mg/l de chlorures ?
R : Les chlorures posent problème pour toutes les nuances d’acier inoxydable, à cause du risque de piqûration, mais chacune a son propre degré de résistance, qui dépend surtout de sa composition. Une plus forte teneur en chrome et en molybdène est bénéfique. Cependant, le risque de piqûration dépend de beaucoup d’autres facteurs tels que le fi ni de surface du matériau et le pH, la température et la teneur en oxygène et en contaminants des liquides utilisés. Avec de l’eau à température ambiante, le 316L est généralement considéré comme résistant aux chlorures jusqu’à une concentration de 1000 mg/l. Cependant, un réservoir
d’eau chaude est en général un système clos contenant de la vapeur en son sommet. Les chlorures présents s’évaporent dans l’espace occupé par cette vapeur, se déposent sur sa surface et s’y concentrent au fi l du temps. Si cette surface n’est pas rincée périodiquement, par aspersion d’eau ou par le contenu liquide du réservoir, les chlorures peuvent se concentrer jusqu’à entraîner une piqûration. Par ailleurs, au-dessus de 60 °C, il y a aussi un risque de corrosion sous contrainte induite par les chlorures. Si on fait le nécessaire pour prévenir la concentration des chlorures, le 316L devrait convenir.
Accumulation des chlorures et acidification sur la paroi d’un réservoir dans l’espace contenant la vapeur.
Le nickel se décline sous de nombreuses formes, depuis les nanofils jusqu’aux aciers inoxydables. Mais quelles propriétés en font un élément essentiel dans tant d’objets du quotidien ?
Pourquoi le nickel ?
LE NICKEL DANS LES PONTS ROUTIERS
La plupart des structures en béton sont renforcées par des barres d’armature.
Pourquoi ? Le béton résiste bien à la compression, mais résiste mal à la traction. Et il se fi ssure facilement. L’acier, en revanche, résiste bien aux deux et ne rompt pas facilement aux températures normales.
Comme un pont routier doit conjuguer les deux types de résistance aux contraintes, on pose des barres d’armature avant de couler le béton. Cela rend le pont assez résistant pour supporter un trafi c considérable.
Le sel nuit à l’acier. Les sels de voirie et le sel marin peuvent traverser le béton et commencer à corroder l’acier. Cette corrosion fi nit par entraîner la fi ssuration et la désagrégation du béton, qui nécessite alors des réparations entraînant à leur tour des bouchons sur les routes.
Quand les barres d’armature contiennent du nickel, les déplacements routiers sont plus rapides et plus sûrs dans la durée. Le
Il est possible de prévenir la corrosion en utilisant des barres d’armature en acier inoxydable au nickel. Le nickel renforce leur résistance au sel et aux contraintes pour qu’elles durent plus d’un siècle.
Codes UNS
Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).
Les coraux se propagent sur un assortiment de sculptures prenant pour modèles les enfants des environs.
L’ouvrage est une commande de la municipalité de Townsville financée par l’État du Queensland et le gouvernement fédéral australien.
Matériaux : Acier inoxydable au nickel, zinc, ciment à pH neutre, basalte et agrégats
Emplacement : Récif John Brewer (Australie)
Profondeur : 16 m
Date d’installation : 2019
LA SERRE À CORAUX
Le premier et le seul musée sous-marin d’Australie, créé par le sculpteur britannique Jason deCaires Taylor, détient le record du monde Guinness de la plus grande structure artistique subaquatique.
La serre à coraux (Coral Greenhouse) pèse 165 tonnes et se compose d’acier inoxydable résistant à la corrosion de nuance 316 (S31600) et de matériaux à pH neutre. Reposant sur le fond du récif John Brewer et haute de 12 m, la serre est entièrement immergée sous 16 m d’eau de mer. L’artiste explique que la charpente biomorphique est façonnée sur le modèle de la nature, pour « mettre au premier plan les différents domaines d’étude tels que les sciences de la mer, la coralliculture ou l’art et l’architecture subaquatiques et environnementaux ». Il poursuit en précisant que la serre « constitue un point de départ et une nouvelle perspective pour comprendre la Grande Barrière de corail et son écologie ». Pour assurer
sa protection contre les conditions météorologiques défavorables, la serre intègre un grand socle de ciment, des amarres anticycloniques et des fermes triangulaires à centre de gravité abaissé pour plus de stabilité. De plus, les pannes et la partie haute des chevrons présentent une résistance minimale à l’énergie des vagues tout en créant un substrat élevé idéal pour les organismes fi ltreurs et un lieu de rassemblement pour les bancs des poissons. Situé à environ 80 km de Townsville, dans le Queensland, ce magnifique sanctuaire incorpore des matrices de formes complexes, où les petits poissons échappent à leurs prédateurs, et des enclaves de verre, où s’abritent poulpes et oursins.
