Application des faisceaux de neutrons à la résolution de problèmes automobiles

Les faisceaux de neutrons, mieux que tout autre outil, peuvent servir à sonder de manière non destructive l’intérieur des blocs moteurs. Cette technique permet aux constructeurs automobiles de déterminer le niveau de contrainte du matériau en un point donné, ce qui constitue un facteur clé de la fiabilité d’un moteur.

« Les technologies de Nemak Canada, mises au point avec le CCFN, accéléreront la production et réduiront la consommation énergétique, ce qui permettra de réduire les coûts de fabrication de plusieurs millions de dollars. »

Les neutrons aident Nemak Canada à accélérer la fabrication des moteurs.

Selon Nemak Canada, les technologies mises au point en partenariat avec le Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) seront bientôt mises en œuvre. Elles permettront de réduire les délais de production et la consommation énergétique, ce qui se traduira par des millions de dollars d’économies en coûts de fabrication.

Dans l’un des axes de recherche avec Nemak, l’objectif était de trouver la meilleure façon de construire de robustes blocs moteurs V-6 en aluminium. Ces moteurs affichent une très faible tolérance à la distorsion de la forme des trous des cylindres dans le bloc. Des méthodes de réduction des contraintes sont utilisées après le moulage du bloc pour en accroître la stabilité, mais chaque étape de fabrication entraîne des coûts et influence les propriétés des matériaux. Pour améliorer les pratiques de fabrication actuelles, l’équipe devait mieux comprendre les facteurs contribuant à la stabilité.

Nemak et ses partenaires de recherche de l’Université Ryerson ont eu recours aux faisceaux de neutrons du CCFN pour réaliser plusieurs études afin d’acquérir et d’interpréter des données de diffraction de neutrons. Ces études visaient à élucider la distribution des contraintes et la microstructure de blocs moteurs et de nouveaux alliages d’aluminium, notamment en examinant les matériaux avant, pendant et après des méthodes de relâchement des contraintes comme le traitement thermique. En outre, ces études comportaient des observations inédites de l’évolution de la microstructure au cours de la solidification des alliages.

Les résultats ont contribué de manière décisive au succès de ces recherches en aidant Nemak à déterminer qu’il est possible de simplifier le processus de traitement thermique sans compromettre la fiabilité. Nemak s’apprête maintenant à valider le nouveau processus en procédant à de derniers essais, comme le montage d’un prototype de bloc moteur dans un véhicule d’essai, avant que le moteur ne soit utilisé dans des véhicules vendus au public.

DOI:10.1016/j.matlet.2015.05.094

Les faisceaux de neutrons aident General Motors à accélérer le développement des moteurs.

« Les mesures du CCFN ont clairement infirmé une hypothèse de GM à savoir laquelle de deux méthodes de fabrication serait la plus efficace pour réduire les contraintes résiduelles dans les culasses. »

General Motors (GM) utilise les faisceaux de neutrons pour accélérer le développement des culasses et des blocs moteurs. Ces projets concernent trois domaines de recherche principaux : 1) évaluation de l’efficacité du traitement thermique et des méthodes de trempe; 2) observation directe de la précipitation de phase au cours de la solidification; et 3) essais de fluage pour mieux prédire la fiabilité à long terme.

Dans le premier domaine d’évaluation de l’efficacité du traitement thermique et des méthodes de trempe, les mesures du CCFN ont clairement infirmé une hypothèse de GM, à savoir que la trempe à l’air des culasses présenterait un avantage par rapport à la trempe à l’eau en raison d’une réduction globale des contraintes résiduelles. Les résultats ont révélé qu’avec la trempe à l’air, il subsistait des contraintes importantes à l’intérieur des culasses, à une profondeur d’environ un centimètre.

Dans le deuxième axe de recherche qui consiste à observer directement la précipitation de phase pendant la solidification, GM utilise des logiciels de modélisation pour tenter de prédire les propriétés des composants ou des alliages après leur solidification, bien que parfois ces modèles ne réussissent pas à prédire les résultats réels. En revanche, les neutrons permettent d’identifier de manière précise les phases où il y a précipitation pendant la solidification. En d’autres termes, ils permettent à GM d’observer le processus de solidification par voie expérimentale afin de mieux comprendre la cause des divergences.

Le troisième axe de recherche concerne les essais de fluage qui consistent essentiellement à déterminer comment la forme d’une pièce peut changer au fil du temps et finir par défaillir ou causer des problèmes. Les expériences au moyen de faisceaux de neutrons permettent à GM d’examiner comment l’arrangement des atomes change dans le matériau pour mieux comprendre le processus de ces changements.

DOI:10.1002/9781118888438.ch60

Les neutrons aident Ford à étudier les techniques de rivetage pour les véhicules légers.

Le CCFN mène actuellement un projet de recherche avec la Ford Motor Company afin d’étudier de nouveaux moyens d’assembler des matériaux dissemblables pour les utiliser dans les véhicules légers. Par exemple, le rivetage autoperforant (RAP) est une solution de rechange de premier plan aux méthodes de soudage traditionnelles et a été largement utilisé par Audi, Mercedes, BMW et Jaguar sur leurs voitures et VUS en aluminium. Les joints RAP présentent d’excellentes propriétés mécaniques et une grande résistance à la fatigue. Toutefois, avant le concours du CCFN, le champ de contraintes résiduelles en 3D dans un joint RAP de métal mixte n’avait jamais fait l’objet d’une étude expérimentale, ce qui rendait difficile la prévision de la durée de vie en fatigue de ces joints RAP.

Ford s’est donc tourné vers les capacités du CCFN en matière de faisceaux de neutrons, car les autres méthodes de détermination des contraintes étaient trop difficiles à mettre en œuvre en raison de la géométrie complexe et du nombre de matériaux différents en jeu. Ford compte utiliser les résultats de l’analyse neutronique pour valider sa méthode existante de prédiction des contraintes résiduelles et documenter ces résultats afin d’éclairer des processus de fabrication plus larges.

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.