Des neutrons pour concevoir des voitures et des bateaux plus efficaces

Qu’il s’agisse de voitures sur la route ou de bateaux sur l’eau, il s’est avéré nécessaire, depuis quelques années, que les véhicules soient plus efficaces sur le plan énergétique. « D’énormes progrès ont été réalisés dans la technologie des groupes motopropulseurs, c’est-à-dire dans les moteurs et autres pièces qui transforment l’énergie du carburant en mouvement pour le véhicule », explique le professeur Dimitry Sediako de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC). « De plus, de nombreux investissements dans la recherche visent à les rendre encore plus efficaces et légers, ce qui permettrait de réduire les coûts énergétiques et les émissions des véhicules.»

L’allègement d’un véhicule permet d’économiser du carburant, car plus un véhicule est léger, moins il a besoin d’énergie pour se déplacer. En outre, par rapport à leurs homologues plus lourds, les véhicules plus légers sont plus facilement alimentés par des sources d’énergie alternatives, telles que les piles à combustible à hydrogène ou les batteries électriques.

Or, même si les sources d’énergie alternatives gagnent en popularité, M. Sediako prévoit que la technologie basée sur l’essence restera nécessaire. « Les moteurs à combustion interne ne sont pas dépassés ou sans intérêt », note-t-il. « Ils sont beaucoup plus performants que les autres solutions, et il faudra peut-être attendre 30 ans ou plus avant que les autres solutions ne les rattrapent. Même si les véhicules électriques deviennent monnaie courante pour les trajets domicile-travail, les moteurs à combustion interne seront encore utilisés pour les applications qui nécessitent une certaine performance. »

« Mercury Marine a lancé la production à grande échelle de nouvelles boîtes de vitesses légères en utilisant des méthodes de fabrication améliorées. »

Les composants du groupe motopropulseur, notamment les moteurs et les transmissions, correspondent à une grande partie du poids total d’un véhicule. Par conséquent, en ce qui concerne l’allègement des véhicules, ils sont au centre des efforts de recherche de l’industrie automobile et navale.

En fait, l’industrie met ses ingénieurs en matériaux au défi non seulement de développer de nouveaux matériaux, mais aussi de formuler de nouvelles méthodes de traitement de ces matériaux afin de s’assurer qu’ils sont suffisamment légers, résistants et bon marché pour être utilisés à grande échelle dans les voitures et les bateaux. Compte tenu de ces critères, les chercheurs se tournent généralement vers les alliages ou les composites à matrice métallique en vue de trouver les meilleurs matériaux pour fabriquer les composants du groupe motopropulseur.

Lors du développement d’un nouveau matériau ou d’une nouvelle méthode de traitement pour la fabrication de pièces légères, il est essentiel de comprendre comment maximiser leur résistance aux abus qu’elles peuvent subir avant de tomber en panne. C’est précisément le mandat de Sediako.

En effet, en utilisant des outils scientifiques de pointe pour caractériser les matériaux, Sediako a acquis la réputation d’être capable de déterminer les limites précises des capacités d’un matériau. Depuis son arrivée à l’UBC en 2017, il a directement participé à des projets avec des entreprises individuelles du Canada, des États-Unis et d’Europe. Il a également travaillé dans plusieurs équipes de recherche, en collaboration avec des scientifiques de plusieurs pays différents.

Une grande partie de cette recherche est protégée par des droits de propriété, mais un projet de la division Mercury Marine de Brunswick Corporation, qui fabrique des moteurs de bateaux à l’aide de technologies de pointe, relève en partie du domaine public.

« Cette recherche fera en sorte que les bateaux qui utilisent ces pièces présenteront une meilleure efficacité énergétique. »

Avant de collaborer avec Sediako, les ingénieurs de Mercury Marine étaient en train de concevoir un nouveau carter d’engrenage (c’est-à-dire le composant du groupe motopropulseur qui maintient la partie immergée du moteur). Pour réduire le poids de ce composant, ils ont utilisé un nouvel alliage d’aluminium (Mercalloy362^TM) et une technique de fabrication avancée connue sous le nom « d’architecture à parois minces ».

Cependant, au cours des essais, alors que les ingénieurs de l’entreprise évaluaient les limites des performances des boîtiers d’engrenage, les pièces ont présenté des fissures prématurées. Celles-ci peuvent être causées par une microstructure indésirable ou un niveau de contrainte élevé de l’alliage. Les méthodes utilisées pour couler un alliage dans une forme souhaitée (par exemple, celle d’un carter d’engrenage) peuvent affecter à la fois la microstructure et le niveau de contrainte de la pièce. Par exemple, lors du processus de solidification, on sait que la vitesse de refroidissement affecte à la fois la microstructure et les contraintes internes d’un composant.

Pour déterminer la cause précise de la fissuration prématurée des boîtiers d’engrenage prototypes, Mercury Marine a collaboré avec l’équipe de recherche de Sediako sur le campus Okanagan de l’UBC.

En effet, Sediako possède une grande expertise dans l’utilisation de faisceaux de neutrons pour comprendre ce qui se passe dans les métaux au niveau moléculaire. Les faisceaux de neutrons sont le seul outil permettant de déterminer de manière non destructive l’ampleur des contraintes cachées dans les profondeurs d’un matériau. Puisque les faisceaux de neutrons sont non destructifs, ils peuvent mesurer les contraintes à l’intérieur d’une même pièce avant et après qu’elle ait subi des processus de fabrication tels que le traitement thermique, qui est souvent utilisé pour réduire les contraintes dans les composants fabriqués. Les faisceaux de neutrons peuvent également fournir des informations sur la microstructure du matériau qui sont difficiles à obtenir autrement.

Pour savoir ce qui s’était passé dans les boîtiers d’engrenage prototypes, Sediako et deux étudiants diplômés, Josh Stroh et Alexandra McDougall, ont eu accès à des faisceaux de neutrons au Centre canadien de faisceaux de neutrons pour effectuer une série de mesures de contraintes et de microstructures sur diverses pièces en Mercalloy362. En combinant les résultats du faisceau de neutrons avec ceux d’autres méthodes d’examen, l’équipe de Sediako a pu déterminer les différentes microstructures et les niveaux de contrainte dans les pièces en Mercalloy362 selon les coulées par rapport à différentes vitesses de refroidissement, ainsi que l’effet du traitement thermique sur ce matériau. Certains de ces résultats ont récemment été présentés lors de la conférence 2019 de la Materials Society (TMS) (doi:10.1007/978-3-030-05864-7_50).

Les conclusions de Sediako ont fourni les informations dont Mercury Marine avait besoin pour améliorer les méthodes de moulage utilisées dans la production de ses prototypes de boîtes de vitesses. Par la suite, Mercury Marine a pu lancer la production à grande échelle de ces nouvelles pièces légères en utilisant des méthodes de fabrication améliorées qui ne compromettent pas la fiabilité de ses moteurs marins.

Globalement, cette recherche a pour effet d’améliorer le rendement énergétique des bateaux qui utilisent ces pièces, et ce n’est qu’un exemple de l’impact plus large qu’a l’équipe de Sediako sur l’amélioration des techniques de fabrication des composants légers des groupes motopropulseurs automobiles et marins.

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