Réduire le coût des technologies d'économie d'énergie pour les voitures et les avions

Bien que les constructeurs de voitures et d'avions aient apporté de nombreuses améliorations en matière d'efficacité énergétique au cours des dernières décennies, il reste encore beaucoup à faire pour réduire la consommation d'énergie dans l'industrie des transports.

« Les alliages de titane peuvent être utilisés pour alléger les pièces, améliorer l'efficacité des moteurs et créer des actionneurs plus efficaces. »

Les alliages de titane peuvent jouer un rôle dans la conservation de l'énergie pour plusieurs raisons. Tout d'abord, comme les pièces en titane pèsent moins lourd que les pièces en acier, elles nécessitent moins d'énergie pour être propulsées. Deuxièmement, les alliages de titane conservent leur solidité à des températures élevées, alors que de nombreux autres métaux perdent de leur solidité. Cette résistance à la température est précieuse, car plus la température est élevée, plus les moteurs fonctionnent efficacement. C'est cette combinaison de légèreté et de résistance à la température qui a rendu les alliages de titane très intéressants pour de nombreuses applications aérospatiales, en particulier pour les pièces de moteur.

Une troisième raison pour laquelle ces alliages peuvent aider l'industrie des transports à économiser l'énergie est qu'un alliage de titane en particulier (l'alliage nickel-titane) possède une propriété inhabituelle qui permet de déplacer les pièces de manière plus efficace sur le plan énergétique. Plus précisément, lorsque le titane est uniformément allié au nickel, il devient un « alliage à mémoire de forme », ce qui signifie qu'il « se souvient » de sa forme initiale après avoir été déformé et qu'il peut reprendre cette forme lorsqu'il est activé par la chaleur ou une force mécanique. Cette capacité remarquable peut être exploitée pour créer un effet de poussée ou de traction.

C'est pourquoi les alliages à mémoire de forme nickel-titane peuvent être utilisés pour remplacer les dispositifs conventionnels qui déplacent les pièces, connus sous le nom d'actionneurs. Les actionneurs conventionnels reposent souvent sur des systèmes lourds et gourmands en énergie, tels que les moteurs électriques ou hydrauliques. Par conséquent, le remplacement des actionneurs conventionnels par des systèmes plus légers en alliage à mémoire de forme permettra d'économiser de l'énergie et de simplifier les conceptions.

Les applications potentielles des actionneurs en alliage à mémoire de forme sont déjà démontrées. Par exemple, en janvier 2018, la NASA a annoncé la réussite du vol de démonstration d'un avion utilisant un actionneur en alliage de nickel-titane pour plier les parties extérieures des ailes vers le haut et vers le bas pendant le vol. Un tel ajustement de l'angle des ailes d'un avion, en réponse aux conditions de vol telles que la direction du vent et les turbulences, permet de réaliser davantage d'économies d'énergie en réduisant la résistance de l'air.

Les alliages de titane sont intéressants pour l'industrie automobile pour les mêmes raisons qu'ils le sont pour le secteur aérospatial : ils peuvent être utilisés pour alléger les pièces, améliorer l'efficacité des moteurs et créer des actionneurs plus efficaces. Mais le titane est également cher, ce qui a empêché son adoption à grande échelle, en particulier par l'industrie automobile, sensible aux prix.

La perspective d'une utilisation accrue des pièces en alliages de titane est l'une des raisons pour lesquelles les industries automobile et aérospatiale ont financé les recherches de Stephen Corbin, professeur d'ingénierie des matériaux à l'Université de Dalhousie. La chaire de recherche de M. Corbin est parrainée par Pratt and Whitney Canada, et plusieurs de ses études récentes sur les alliages de titane ont été soutenues par le Partenariat automobile du Canada.

L'un des objectifs de recherche de M. Corbin est de réduire le coût des pièces fabriquées en alliages à mémoire de forme nickel-titane en mettant au point des méthodes de traitement plus simples. « Traditionnellement, ces alliages sont fondus, coulés, laminés ou étirés pour obtenir la forme souhaitée, puis usinés si nécessaire pour procéder à des ajustements supplémentaires », explique M. Corbin. « Mais ces métaux sont difficiles à fondre en raison de leur excellente résistance à la chaleur. Et leur capacité à changer de forme est un problème pour l'usinage, car [le métal] peut se déplacer pendant l'usinage. Ces facteurs compliquent le traitement et augmentent en fin de compte les coûts. »

M. Corbin voit dans la métallurgie des poudres une solution pour simplifier le traitement des alliages de nickel et de titane. D'une manière similaire à celle proposée par son collègue Paul Bishop pour utiliser la métallurgie des poudres d'aluminium dans le traitement des pièces automobiles (décrite dans un article précédent, Corbin propose de comprimer des poudres métalliques dans un moule, puis de les chauffer juste assez pour que les poudres se rejoignent (un processus appelé « frittage »). À la fin de ce processus, un composant proche de son état final est créé, ce qui réduit considérablement le nombre d'étapes de traitement.

« L'ensemble des résultats expérimentaux de M. Corbin constitue une contribution importante au domaine, car il fournit les connaissances fondamentales nécessaires pour optimiser le processus de frittage des alliages à mémoire de forme nickel-titane peu coûteux, qui sont nécessaires pour les actionneurs légers des voitures et des avions. »

D'autres chercheurs ont expérimenté des poudres de frittage composées d'un alliage nickel-titane pur (NiTi), mais cette poudre d'alliage est coûteuse. Par conséquent, pour atteindre l'objectif de réduction des coûts de fabrication, les expériences de Corbin utilisent un mélange initial de poudre de titane (Ti) et de poudre de nickel (Ni) facilement disponibles et moins coûteuses, dans le but de créer un composant composé de NiTi pur par frittage. Comme l'explique M. Corbin, « L'objectif est de déterminer les conditions de frittage qui permettent d'obtenir 100 % du composé à mémoire de forme NiTi. »

La création d'un composant en alliage à mémoire de forme nickel-titane pur par frittage est une tâche complexe. En effet, si le processus de frittage peut produire l'alliage NiTi pur souhaité, dans lequel les atomes de nickel et de titane sont uniformément dispersés, il peut également entraîner d'autres variations indésirables. Ces variations (par exemple, Ti₂Ni et Ni₃Ti) sont appelées « phases » et ne présentent pas l'effet de mémoire de forme recherché. La confusion qui règne dans la communauté des chercheurs quant à la nature exacte (par exemple, la composition moléculaire) de ces phases indésirables ne fait qu'ajouter au défi.

Des années de recherches antérieures ont conduit M. Corbin à émettre l'hypothèse que des phases indésirables pouvaient se former lors du frittage du mélange de poudres de titane et de nickel, et que le coupable pouvait être la présence d'oxygène dans ces poudres de départ. Pour vérifier cette hypothèse, Corbin et Daniel Cluff, étudiant diplômé, ont accédé au Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) à Chalk River pour réaliser une série d'expériences de diffraction de neutrons. Leur objectif était de déterminer exactement quelles phases se formaient - et à quelles températures - au cours du processus de frittage.

La diffraction des neutrons a été préférée à la diffraction des rayons X pour cette recherche parce que les neutrons peuvent pénétrer profondément dans un matériau, alors que les rayons X ne fournissent des informations que sur les effets de surface. Ce pouvoir de pénétration des neutrons a également permis d'effectuer des mesures pendant le processus de frittage, car les neutrons pouvaient traverser les nombreux équipements entourant les métaux en cours de frittage, équipements qui étaient nécessaires pour contrôler avec précision des facteurs tels que la température et la composition de l'atmosphère environnante pendant les mesures.

Avec l'aide de Michael Gharghouri, scientifique de CNBC, Corbin et Cluff ont d'abord étudié l'impact des différentes tailles de particules dans les poudres de titane et de nickel de départ. Les résultats rapportés en 2014 ont montré que les poudres de nickel contenant de grosses particules ralentissaient considérablement la formation de NiTi pur. Ils ont également montré que l'une des phases indésirables - Ti₂Ni- persistait tout au long du processus de frittage, et les chercheurs ont émis l'hypothèse que l'oxygène était responsable de la stabilisation de cette variante indésirable.

Corbin et Cluff ont mené d'autres études au CNBC afin d'explorer plus en détail les changements qui se produisent au cours du processus de frittage à des températures allant de 500 °C à 1 200 C. Une série d'expériences a comparé deux qualités de poudre de titane, chacune ayant un niveau de pureté différent, afin d'observer comment des quantités variables de contaminants oxygénés dans la poudre d'origine pourraient avoir un impact sur les phases qui se forment pendant le frittage.

Les résultats, publiés en 2017, ont définitivement montré que l'oxygène entraîne la persistance de la phase Ti₂Ni indésirable jusqu'à 1200 °C, ce qui implique qu'il est nécessaire de commencer avec des poudres exemptes de contaminants pour obtenir un alliage NiTi pur par frittage (doi:10.1016/j.intermet.2016.12.001). Une deuxième série d'expériences, publiée en janvier 2018, a permis de mieux comprendre pourquoi même de petites quantités d'oxygène sont si préjudiciables à la production d'un alliage à mémoire de forme nickel-titane (doi:10.1016/j.jallcom.2017.10.272).

Il est important de noter que ces expériences, combinées aux observations d'autres approches expérimentales, montrent clairement quelles phases se produisent - et à quelles températures elles se développent ou disparaissent - pendant le frittage. « Nous avons dissipé une grande partie de la confusion sur ce qui se passe dans ces matériaux pendant le frittage », conclut M. Corbin. « Il s'agit d'une contribution importante au domaine, car elle apporte les connaissances fondamentales nécessaires pour optimiser le processus de frittage des alliages à mémoire de forme nickel-titane peu coûteux, qui sont nécessaires pour les actionneurs légers des voitures et des avions. »

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