En partenariat avec GKN Powder Metallurgy, les chercheurs de l'Université Dalhousie utilisent des faisceaux de neutrons dans le cadre d'études visant à ouvrir le marché de l'automobile à davantage de produits fabriqués à partir de poudres d'aluminium, une alternative prometteuse aux composants en acier plus lourds utilisés aujourd'hui dans l'industrie.
Que l'objectif soit de préserver l'environnement en supprimant les carburants fossiles des voitures ou simplement d'économiser de l'essence en rendant les véhicules plus économes en carburant, les experts s'accordent à dire que la perte de poids est la clé.
En effet, les voitures plus légères nécessitent moins d'énergie pour fonctionner, quelle que soit la source d'énergie. Et comme les carburants propres ne sont pas aussi puissants que l'essence, la réduction de la quantité d'énergie dont les voitures ont besoin pour fonctionner rend les voitures propres plus viables. En d'autres termes, le nombre de véhicules hybrides, électriques et à pile à combustible en circulation est directement lié au poids (ou à la légèreté) des voitures.
Il n'est donc pas surprenant que les constructeurs automobiles cherchent de plus en plus à utiliser des matériaux légers en aluminium à la place de métaux plus lourds comme l'acier dans de nombreuses pièces automobiles. La métallurgie des poudres d'aluminium est une technologie qui facilite cette transition Les poudres à base d'aluminium sont compactées dans une matrice, puis chauffées dans des conditions contrôlées pour convertir les poudres en un matériau solide sans le faire fondre, un processus appelé « frittage ». Une fois le matériau transformé en solide, d'autres procédés de fabrication traditionnels peuvent être appliqués pour produire le produit final. Cette technologie permet de réaliser des économies en créant directement une pièce de la bonne forme, réduisant ainsi le besoin de modifications ultérieures, telles que l'usinage, qui sont autrement nécessaires pour fabriquer des composants tels que les chapeaux de paliers d'arbres à cames, qui fixent les arbres à cames aux culasses des moteurs de véhicules.
GKN Powder Metallurgy est un fabricant qui a connu un grand succès dans la production de chapeaux de paliers d'arbres à cames fabriqués à partir de poudres d'aluminium, une entreprise qui innove pour répondre à la tendance à la perte de poids dans l'industrie automobile.
« L'utilisation de matériaux légers, tels que l'aluminium, et la métallurgie des poudres offrent des avantages synergiques pour réduire le poids », déclare Alan Taylor, vice-président de la technologie des poids légers chez GKN.
Le professeur Paul Bishop, de l'Université Dalhousie à Halifax, partage cet avis et pense que la métallurgie des poudres d'aluminium pourrait être la clé de la perte de poids et des économies d'énergie qui en découlent dans la prochaine génération de véhicules.
« Il existe un grand potentiel d'utilisation pour la fabrication de pièces destinées à une multitude d'autres applications automobiles, ainsi qu'aux avions et aux véhicules militaires », explique M. Bishop. Toutefois, avant que ce potentiel puisse être pleinement exploité, « l'un des principaux défis consiste à augmenter la résistance à la fatigue », ajoute-t-il.
La résistance à la fatigue désigne la capacité d'un matériau à résister à des variations répétées de la pression ou de la contrainte appliquée sans se fracturer. L'un des moyens d'accroître la résistance à la fatigue consiste à appliquer un traitement de surface mécanique appelé « grenaillage de précontrainte ». Le grenaillage de précontrainte comprime la surface du matériau, ce qui rapproche les atomes proches de la surface. Cela crée une condition connue sous le nom de « contrainte de compression », qui rend le matériau plus résistant aux forces qui tentent de l'arracher pendant qu'il est en service.
Pour savoir si le grenaillage de précontrainte pouvait être la solution pour augmenter la résistance à la fatigue des pièces automobiles fabriquées à partir de la technologie de la métallurgie des poudres d'aluminium, GKN a fait équipe avec le groupe de recherche de Bishop. ECKA Granules a fourni des poudres d'aluminium qui ont été compactées en barres à Dalhousie. Les barres ont ensuite été frittées dans les fours industriels de GKN avant d'être soumises à un grenaillage de précontrainte et à des essais en laboratoire.
« La collaboration entre GKN et Dalhousie a permis de faire progresser considérablement la technologie vers des utilisations courantes, avec de nouvelles applications de composites à matrice métallique d'aluminium à haute résistance obtenues par métallurgie des poudres dans les moteurs et les transmissions », explique M. Taylor. « L'étude actuelle avec Dalhousie sur le grenaillage de précontrainte a le potentiel d'améliorer encore les propriétés mécaniques et d'étendre les applications de ces matériaux »
Les premiers essais sur les barres d'aluminium grenaillées issues de la métallurgie des poudres se sont révélés très prometteurs, montrant une augmentation de plus d'un tiers de la résistance à la fatigue. Pour mieux comprendre ce résultat, les chercheurs ont appliqué différentes techniques de mesure afin de comparer les propriétés des barres grenaillées à celles des barres n'ayant subi aucun traitement de surface.
L'une de ces techniques de mesure consistait à utiliser des faisceaux de neutrons au Centre canadien de faisceaux de neutrons (CNBC) pour mesurer de manière non destructive la contrainte de compression en fonction de la proximité des atomes à des profondeurs spécifiques sous la surface du matériau. Les mesures par rayons X ont fourni des mesures complémentaires sur la proximité des atomes très près de la surface.
Les résultats ont montré que la contrainte de compression en surface était quatre fois plus élevée dans les barres grenaillées, et que cette condition avantageuse persistait jusqu'à une profondeur d'environ 80 microns. Comme l'explique M. Bishop, « Ce résultat est passionnant car il est très comparable à ce que l'on observe dans les alliages d'aluminium corroyés grenaillés, qui offrent certaines des meilleures propriétés de fatigue pour les métaux légers ».
Bishop et GKN appliquent maintenant d'autres méthodes de caractérisation afin de comprendre et d'optimiser le processus de grenaillage pour un certain nombre de matériaux de métallurgie des poudres d'aluminium. L'équipe de recherche s'intéresse particulièrement au comportement de ces matériaux dans différentes conditions thermiques, car l'effet bénéfique du grenaillage de précontrainte ne dure pas toujours à des températures plus élevées. C'est pourquoi les chercheurs recueillent actuellement des données sur la stabilité thermique de ces matériaux afin d'établir des limites opérationnelles sûres et d'identifier ainsi la gamme complète de pièces de véhicules pour lesquelles ces matériaux conviendraient.
« Bien qu'il reste encore du travail de développement à faire, il est probable que les composants grenaillés fabriqués à partir de poudres d'aluminium deviendront des produits commerciaux », déclare M. Bishop.
Il ne fait aucun doute que les véhicules deviendront plus légers à mesure que de plus en plus de pièces en métallurgie des poudres d'aluminium seront qualifiées pour le secteur automobile. Les fabricants disposeront d'alternatives plus légères pour les composants traditionnellement fabriqués en acier et autres alliages lourds. Il deviendra plus abordable de remplacer des composants plus lourds par des composants plus légers, car les pièces fabriquées à partir de poudres d'aluminium sont beaucoup moins chères que de nombreux produits en aluminium déjà utilisés dans le secteur automobile.
Il n'est pas surprenant que les acteurs du secteur soient enthousiasmés par cette recherche. « La collaboration entre GKN et Dalhousie a permis de faire progresser considérablement la technologie vers des utilisations courantes, avec de nouvelles applications de composites à matrice métallique d'aluminium à haute résistance obtenues par métallurgie des poudres dans les moteurs et les transmissions », explique M. Taylor. « L'étude actuelle avec Dalhousie sur le grenaillage de précontrainte a le potentiel d'améliorer encore les propriétés mécaniques et d'étendre les applications de ces matériaux ».
Les chercheurs universitaires sont reconnaissants de la participation active de l'industrie. « Notre succès dépend d'une relation de travail étroite avec GKN à chaque étape du processus », déclare M. Bishop. « Ils ont non seulement accordé à mon équipe un accès en temps voulu à leurs installations de production industrielle, mais ils nous fournissent en permanence des informations techniques inestimables et examinent activement nos progrès ».
DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.02.003
Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.
