Optimiser la conception des alliages pour la fabrication additive
L’industrie manufacturière européenne est confrontée à des défis permanents liés à la concurrence mondiale et à l’évolution vers l’efficacité des ressources et de l’énergie. De nouveaux matériaux métalliques renforcés par dispersion d’oxydes (ODS) pourraient apporter des avancées majeures à l’industrie des procédés européenne, grâce à la création de dispositifs à haute température intégrés à des capteurs, tels que des têtes de brûleurs à gaz et des échangeurs de chaleur. Dans le cadre du projet topAM(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, un consortium de recherche a cherché à développer de nouvelles méthodes de traitement pour créer des matériaux ODS à base de divers métaux dispersés avec des particules d’oxyde et de nitrure de taille nanométrique. Le projet vise à proposer de nouveaux matériaux métalliques nanostructurés, qui peuvent être assemblés en structures de forme complexe par impression 3D, c’est-à-dire par fusion de lit de poudre par faisceau laser (PBF-LB/M). «Les alliages ODS développés peuvent être utilisés dans des atmosphères hautement carburantes et oxydantes à des températures de fonctionnement allant jusqu’à 1 400 °C, par exemple dans les usines de gaz de synthèse pour la production d’hydrogène"», explique Ulrich Krupp(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), professeur et titulaire de la chaire d’ingénierie des matériaux métalliques à l’Institut de l’acier IHEK de l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle. «Cela a été prouvé lors d’un essai de brûleur à gaz utilisant un superalliage renforcé à base de nickel imprimé en 3D.» La recherche pourrait aider non seulement les industries manufacturières, mais aussi le développement de centrales électriques propres et à grande échelle. De nombreuses technologies de pointe dans le domaine de la production d’énergie reposent sur l’utilisation sûre et efficace de matériaux et de dispositifs à haute température.
Intégrer l’ingénierie informatique dans la production d’ODS
Pour améliorer le processus de production d’ODS, l’équipe a utilisé une voie de développement guidée par l’ingénierie computationnelle intégrée des matériaux (ICME). Il s’agissait d’utiliser la thermodynamique computationnelle pour prédire l’apparition des différentes phases au sein des alliages complexes, en fonction de leur composition chimique individuelle. «Dans une étape suivante, nous avons utilisé des modèles pour prédire la durée de vie des alliages en fonction de la taille et de la fraction volumique des particules ODS», explique Ulrich Krupp. Cela a permis à l’équipe de simuler la concentration requise de l’élément d’alliage formant les particules.
Amélioration de la modification des poudres grâce aux nanoparticules
topAM a commencé par étudier diverses possibilités de modification des poudres afin d’intégrer les nanoparticules dans le processus de production. Cette recherche a montré que les processus de nitruration interne donnaient les meilleurs résultats. Lors de l’atomisation au gaz (atomisation de l’alliage liquide par un mélange à haute pression d’argon et d’azote) la faible concentration de titane dans les gouttelettes d’alliage est capable de réagir avec le flux d’azote gazeux in situ. «Un résultat similaire a été obtenu en exposant la poudre d’alliage à une atmosphère de nitruration dans un réacteur à lit fluidisé ex situ», note Ulrich Krupp, coordinateur du projet topAM. La microscopie électronique à haute résolution a montré que les particules de nitrure de titane de taille nanométrique étaient uniformément réparties. «Les échantillons imprimés en 3D à l’aide de la poudre ODS correspondante présentent des propriétés mécaniques supérieures, en particulier à haute température», explique Ulrich Krupp. Le développement d’alliages ODS guidé par l’ICME et la modification des poudres au moyen du réacteur à lit fluidisé ont déjà fait l’objet de demandes de brevet et des projets de suivi ont été lancés. Cela inclut différents domaines d’application, tels que les applications aérospatiales et les commutateurs à haute tension.
Renforcer les capacités de production de l’Europe
Les alliages ODS offrent des combinaisons uniques de résistance, de fluage et de corrosion à très haute température, tandis que l’impression 3D par fusion sur lit de poudre permet une conception hautement personnalisée. «Cela permet de répondre aux exigences structurelles et fonctionnelles des produits exigeants, tels que ceux utilisés dans les applications aérospatiales et les technologies de l’énergie», ajoute Ulrich Krupp. «L’industrie de transformation et les unités de refroidissement à haute efficacité dans la microélectronique à grande échelle peuvent également être réalisées pour maintenir la compétitivité et l’indépendance de l’Europe dans des segments de marché stratégiques et en pleine croissance.»
