Des matériaux et composants d’ingénierie avancés plus durables dans des applications industrielles soumises à des conditions extrêmes
La mise au point de matériaux et de composants plus durables, capables de résister à des températures élevées ou à des cycles thermiques (chauffage et refroidissement répétés qui provoquent la dilatation et la contraction des matériaux) constitue un réel défi. L’utilisation de technologies de fabrication moins gourmandes en ressources permet d’économiser l’énergie et les ressources minérales, tout en proposant une nouvelle norme de production efficace de composants pour les équipements techniques résistants aux températures élevées et à la corrosion.
Les défis qui entravent la durabilité de l’estampage à chaud
Le projet HIPERMAT, financé par l’UE, s’est concentré sur un cas d’utilisation impliquant un four de laminage à poutrelles, utilisé dans le processus d’estampage à chaud. Ce processus de fabrication, utilisé entre autres par l’industrie automobile, permet de produire d’importants volumes de composants légers pour les structures de la carrosserie. Le four est toutefois l’équipement qui consomme le plus d’énergie et de ressources dans ce processus de fabrication. Celui-ci fonctionne dans des conditions difficiles: les températures avoisinent les 1 000 degrés Celsius, les charges sont lourdes en raison du poids des poutres, des plaques d’acier en cours de fabrication, et la température extrême et la chaleur continue à l’intérieur du four créent un environnement corrosif. Ces conditions de travail difficiles sont responsables de différents modes de défaillance. La maintenance et le remplacement fréquents des composants de ces fours entraînent d’importantes pertes de productivité. Ils augmentent également la consommation d’énergie et de ressources en raison des matériaux critiques nécessaires à la fabrication des composants du four.
Des innovations matérielles pour relever les défis de l’estampage à chaud
Décidé à accroître la durabilité de l’estampage à chaud, HIPERMAT s’est appuyé sur des outils de conception avancés pour optimiser la sélection des matériaux et la durabilité des composants. L’initiative a abouti au développement et à la validation d’alliages résistants à de très hautes températures et à la corrosion, y compris des variantes d’acier inoxydable réfractaire et d’autres alliages appliqués en couches protectrices. «Les aciers inoxydables réfractaires standard comprennent une large gamme d’éléments chimiques standard tels que le carbone, le nickel et le chrome. Limiter la proportion de ces éléments dans l’alliage et combiner intelligemment d’autres éléments tels que le niobium, le tungstène et le molybdène, altère la microstructure de l’alliage, ce qui améliore ses propriétés d’usure et de haute température», explique Fernando Santos, coordinateur du projet.
Des techniques de fabrication avancées pour des composants plus performants
Pour fabriquer des composants finaux à partir de ces alliages haute performance, l’équipe du projet a fait appel à des techniques avancées de fabrication additive telles que le dépôt de métal par laser (LMD), les revêtements céramiques et la technologie d’ablation. «La fabrication de composants d’équipements à haute température implique généralement de modifier les matériaux en vrac. Cependant, l’introduction du LMD et des revêtements céramiques à haute vitesse par oxycombustion permet d’utiliser des alliages coûteux uniquement en surface, l’alliage de base ne formant que le cœur de la pièce», souligne Fernando Santos. «Cette méthode de réparation et de restauration de la couche externe, plutôt que de remplacer la pièce entière, constitue un progrès considérable dans l’utilisation des ressources.» La technologie de l’ablation, lorsqu’elle est utilisée dans la fabrication de matériaux en vrac, modifie la microstructure hétérogène créée par les procédés traditionnels de moulage de l’acier. Par conséquent, les alliages obtenus présentent des carbures plus fins et plus uniformément répartis, ce qui favorise une meilleure résistance au fluage et permet de doubler les valeurs actuelles. Après des essais destructifs et non destructifs approfondis, ces composants ont été intégrés dans un véritable four d’estampage à chaud, où leurs performances ont été suivies en permanence grâce à un réseau avancé de capteurs intégrés et d’outils de traitement des données. «Les capteurs sont traditionnellement placés dans les parois, le plafond et les planchers du four, mais pas à proximité des pièces en cours de traitement. La possibilité d’imprimer des capteurs par LMD et de les intégrer dans des pièces fonctionnelles proches de celles qui sont traitées permet un contrôle plus étroit du processus et améliore la qualité de la pièce finale.» «HIPERMAT se distingue par le fait qu’il privilégie l’analyse des données par rapport aux simulations traditionnelles basées sur la physique. Cette approche génère des algorithmes qui identifient les variables critiques, ce qui permet de développer plus rapidement de nouveaux matériaux dotés de propriétés avancées pour résister à des environnements difficiles», conclut Fernando Santos. En se concentrant sur l’optimisation de la sélection des matériaux et l’amélioration des techniques de fabrication, HIPERMAT a fait progresser le développement de matériaux améliorés susceptibles de réduire considérablement la consommation d’énergie et de ressources des processus industriels.
Mots‑clés
HIPERMAT, alliages, estampage à chaud, hautes températures, corrosion, revêtements céramiques, ablation, dépôt de métal par laser, analyse pilotée par les données, simulations basées sur la physique, industries de transformation, industries grandes consommatrices d’énergie