Des chercheurs de l'Université de l'Alberta ont réalisé une avancée significative dans la conception d'alliages haute performance en utilisant des faisceaux de neutrons. Ces alliages innovants présentent des avantages potentiels pour les secteurs de la défense et des transports civils.
Les sociétés modernes dépendent de métaux qui doivent répondre à des exigences de performance plus élevées que jamais. Des véhicules électriques, qui doivent parcourir de plus longues distances avec une seule charge, aux véhicules militaires, censés résister aux environnements les plus extrêmes, les exigences imposées aux alliages structurels évoluent à un rythme que les méthodes de fabrication traditionnelles ne parviennent plus à suivre. Pour répondre à ces besoins, il faut des alliages entièrement repensés, conçus non seulement pour offrir résistance, ténacité et résistance à la fatigue, mais aussi pour permettre une utilisation efficace de minéraux critiques rares. Par exemple, des éléments comme le scandium et le cuivre sont essentiels pour les alliages haute performance, mais leur disponibilité limitée impose de recourir à des approches innovantes pour optimiser leur utilisation sans compromettre les propriétés des matériaux.
Ce défi est au cœur du programme de recherche du professeur Henein à l'université de l'Alberta. Ses travaux couvrent l'ensemble des processus de fabrication des alliages : de la solidification lente dans la fonderie traditionnelle à la production de tôles, en passant par le soudage et le brasage, ainsi que les vitesses de refroidissement ultra-rapides rencontrées dans la fabrication additive (FA), également connue sous le nom d'impression 3D. Chacun de ces processus produit des microstructures distinctes, et ces microstructures - dont l'espacement est parfois de l'ordre du sous-micron - déterminent les performances des alliages utilisés dans les transports civils et militaires.
Le manque de compréhension des mécanismes de formation de ces microstructures en fonction des processus de fabrication a longtemps constitué un frein au développement des alliages, mais le groupe d'Henein a réalisé une avancée majeure en mettant au point la technique d'atomisation par impulsions. Cette technique permet d'obtenir des poudres métalliques pures, contrôlées et sans support, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour étudier la formation de ces microstructures lors d'une solidification rapide. Puis, grâce à des expériences au synchrotron et à la diffusion neutronique menées dans les années 2010 à l'ancien Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN), son équipe a réalisé une prouesse sans précédent : elle a vérifié quantitativement le degré de sous-refroidissement ainsi que l'évolution des phases primaire et eutectique dans des poudres d'Al–Cu lors d'une solidification rapide (https://dx.doi.org/10.1007/s11661-016-3594-4).
Ces expériences ont permis à Henein de créer en 2019 une carte de la microstructure qui identifie le comportement de solidification sur sept ordres de grandeur de la vitesse de refroidissement. Aujourd'hui, cette carte constitue la base d'une approche d'ingénierie des matériaux par calcul intégré (ICME) pour la conception d'alliages destinés à la coulée en bande, au soudage, au moulage sous pression, au formage par projection et à la fabrication additive.
"Nos méthodes ICME ont déjà fait leurs preuves dans l'industrie. Plus de 12 millions de dollars ont été investis dans la commercialisation de l'atomisation par impulsion pour la production de poudres métalliques utilisées dans l'impression 3D, les matériaux pour batteries et d'autres technologies émergentes", explique le professeur Henein.
Cet héritage de connaissances acquises grâce aux neutrons continue d'influencer la conception d'alliages haute performance de Henein, qu'il s'agisse d'aciers à haute résistance ou d'alliages d'aluminium légers, avec des impacts attendus pour les applications civiles et de défense.
Dans le domaine de la défense, il est essentiel de disposer d'alliages haute performance qui concilient résistance, dureté et ténacité tout en étant légers : les aciers à haute résistance sont utilisés dans les structures des véhicules blindés, les systèmes de protection balistique, les équipements navals et les composants d'artillerie. Les alliages à base d'aluminium, en particulier ceux renforcés par des minéraux critiques tels que le scandium, le cuivre, le chrome ou le silicium, sont de plus en plus utilisés dans la fabrication d'avions de chasse militaires, où les structures imprimées en 3D doivent résister à des charges élevées et à des environnements extrêmes. À l'heure où les systèmes de défense s'orientent vers des conceptions plus légères et plus agiles, il est stratégiquement important de pouvoir prédire les performances d'un alliage, comme le permet la méthode ICME de Henein.
Pour les applications civiles, l'expertise de Henein est appliquée aux aciers à haute résistance destinés aux véhicules électriques, qui permettent aux constructeurs de réduire le poids de la structure et d'augmenter l'autonomie de conduite. Parallèlement, ses recherches sur les alliages d'aluminium contribuent à la mise au point de composants aérospatiaux innovants, pour lesquels la fabrication additive promet une réduction des déchets, des coûts et de la consommation de carburant. En outre, l'utilisation prudente et le recyclage des minéraux critiques sont indispensables pour la sécurité économique et la protection de l'environnement du Canada.
Étant donné l'importance des minéraux critiques dans les alliages destinés à des applications militaires et civiles, les travaux actuels de Henein se concentrent sur les alliages haute performance qui nécessitent des ajouts faibles mais essentiels de minéraux critiques tels que Ti, Nb, Sc, Cr, Cu ou Si. Ces éléments déterminent la microstructure pendant la solidification, en influençant les joints de grains et les précipités. Par exemple, dans les aciers à haute résistance, la formation de nanoprécipités, notamment de TiN, peut être bénéfique ou néfaste selon le moment où elle se produit. Il est donc essentiel de comprendre les nanoprécipités pour concevoir de nouveaux alliages haute performance.
La fermeture du CCFN en 2018 a contraint le programme de recherche de Henein - et de nombreux autres au Canada - à se tourner vers l'étranger pour obtenir du temps d'utilisation des faisceaux de neutrons, une ressource difficile à obtenir. Récemment, son équipe a obtenu du temps de faisceau au Centre de neutrons de Budapest, en Hongrie, où elle utilise la diffusion neutronique à petit angle pour faire avancer la recherche sur les aciers à haute résistance.
"D'après notre expérience, en l'absence d'une installation canadienne dédiée aux neutrons, il a été très difficile d'accéder aux faisceaux de diffraction neutronique et au soutien nécessaire aux utilisateurs pour concevoir des expériences et former des étudiants", explique M. Henein. "Heureusement, la situation commence à s'améliorer.
M. Henein se félicite du développement du Laboratoire canadien de faisceaux de neutrons (LCFN) à l'Université McMaster, qui a lancé en 2025 à titre expérimental un programme destiné aux utilisateurs comprenant un instrument à haut débit, un diffractomètre neutronique sur poudre. Le LCFN devrait continuer à se développer au cours des prochaines années et, grâce au financement récemment annoncé, il pourrait compter jusqu'à 6 lignes de faisceaux.
Henein utilisera le diffractomètre à neutrons du LCFN pour analyser les fractions de phase dans des poudres d'alliage d'aluminium micro-ségrégées à solidification rapide contenant des minéraux critiques. La microscopie classique et la diffraction des rayons X ne permettent pas de quantifier ces phases en raison de leur échelle inférieure au micron ; seuls les neutrons peuvent révéler la distribution interne complète des phases nécessaire à l'établissement de cartes microstructurales précises.
Grâce à ces expériences, les travaux de recherche de Henein permettent de continuer à établir des cartes détaillées de la microstructure qui établissent un lien entre les processus de fabrication et les performances des alliages. Cela illustre comment la recherche sur les matériaux assistée par neutrons peut ouvrir la voie à la prochaine génération d'alliages structurels pour les véhicules que nous conduisons ou pilotons, ainsi que pour ceux qui protègent le Canada sur son territoire et à l'étranger.
