Développer des alliages haute performance pour la défense et les technologies propres

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 de structure évoluent à un rythme que la fabrication traditionnelle peine 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 et rares. Par exemple, des éléments comme le scandium et le cuivre sont essentiels pour les alliages haute performance, mais leur disponibilité limitée nécessite des approches innovantes afin de maximiser leur utilité 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 procédés 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 procédés produit des microstructures distinctes, et ces microstructures — parfois espacées à l'échelle submicronique — déterminent les performances des alliages utilisés tant dans les transports civils que dans ceux liés à la défense.

Une avancée majeure dans la conception des alliages

Le manque de compréhension des mécanismes de formation de ces microstructures en fonction des procédés de fabrication a longtemps constitué un frein au développement des alliages, mais l’équipe de Henein a réalisé une avancée majeure en mettant au point l’atomisation par impulsion. Cette technique permet de produire des poudres métalliques pures, contrôlées et sans conteneur, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour étudier la formation de ces microstructures lors d’une solidification rapide. Puis, à l'aide d'expériences au synchrotron et de diffraction neutronique menées à l'ancien Centre canadien de faisceaux de neutrons (CNBC) dans les années 2010, son équipe a réalisé quelque chose d'inédit : elle a vérifié quantitativement le degré de sous-refroidissement et l'évolution des phases primaires et eutectiques dans les poudres d'Al–Cu lors de la solidification rapide (https://dx.doi.org/10.1007/s11661-016-3594-4).  

Ces expériences ont permis à Henein d'élaborer, en 2019, une carte de microstructure qui identifie le comportement de solidification sur sept ordres de grandeur de vitesse de refroidissement. Aujourd'hui, cette carte constitue le fondement d'une approche d'ingénierie des matériaux par calcul intégré (ICME) visant à concevoir des 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 le secteur industriel. 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.

Poursuite des travaux de recherche sur les alliages destinés aux véhicules civils et militaires

Cet héritage des connaissances acquises grâce aux neutrons continue d'influencer la conception par Henein d'alliages haute performance, qu'il s'agisse d'aciers à haute résistance ou d'alliages d'aluminium légers, avec des retombées attendues pour les applications civiles et militaires.

Dans le domaine de la défense, les alliages haute performance qui allient résistance, dureté et ténacité tout en étant légers sont essentiels : 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 militaires, où les structures imprimées en 3D doivent résister à la fois à des charges élevées et à des environnements extrêmes. Alors que 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.

Dans le domaine civil, l’expertise de M. Henein est mise à profit pour la conception d’aciers à haute résistance destinés aux véhicules électriques, qui permettent aux constructeurs de réduire le poids des structures et d’augmenter l’autonomie. Parallèlement, ses recherches sur les alliages d’aluminium contribuent à la conception de composants aérospatiaux innovants, où la fabrication additive promet une réduction des déchets, des coûts et de la consommation de carburant. De plus, une utilisation raisonnée et le recyclage des minéraux essentiels sont essentiels pour la sécurité économique et la protection de l’environnement du Canada.

Compte tenu de l'importance des minéraux critiques dans les alliages destinés à la défense et à des usages civils, les travaux actuels de Henein portent sur les alliages haute performance qui nécessitent des ajouts faibles mais essentiels de minéraux critiques tels que le Ti, le Nb, le Sc, le Cr, le Cu ou le Si. Ces éléments façonnent la microstructure lors de la solidification, influençant ainsi 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 ils se forment. Il est donc essentiel de comprendre les nanoprécipités pour concevoir de nouveaux alliages haute performance.

Les faisceaux de neutrons : un outil de recherche indispensable mais rare

La fermeture du CNBC en 2018 a contraint le programme de recherche de M. Henein — ainsi que de nombreux autres à travers le Canada — à se tourner vers l'étranger pour obtenir du temps de faisceau neutronique, 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 progresser 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 lignes de lumière de diffraction neutronique et au soutien nécessaire aux utilisateurs pour concevoir des expériences et former les étudiants », explique M. Henein. « Heureusement, cette situation commence à s’améliorer. »

M. Henein se félicite de la mise en place du Laboratoire canadien de faisceaux de neutrons (CNBL) à l'Université McMaster, qui a lancé en avant-première en 2025 un programme destiné aux utilisateurs comprenant un instrument à haut débit, à savoir un diffractomètre à neutrons sur poudre. Le CNBL devrait poursuivre son développement au cours des prochaines années et, grâce au financement récemment annoncé, pourrait compter jusqu'à six lignes de faisceaux.

Henein utilisera le diffractomètre à neutrons du CNBL pour analyser les fractions de phases dans des poudres d'alliages d'aluminium à solidification rapide et à microségrégation contenant des minéraux critiques. La microscopie traditionnelle et la diffraction des rayons X ne permettent pas de quantifier ces phases en raison de leur taille 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 M. Henein permettent de continuer à établir des cartes détaillées de la microstructure qui établissent un lien entre les procédés de fabrication et les performances des alliages. Ils illustrent comment la recherche sur les matériaux fondée sur les neutrons peut ouvrir la voie à la prochaine génération d’alliages structurels, destinés aux véhicules que nous conduisons ou dans lesquels nous volons, ainsi qu’à ceux qui assurent la protection du Canada sur son territoire et à l’étranger.