Superalliages: la métallurgie à la frontière technologique

Photo Nathalie Bozzolo / Professeur titulaire de la chaire industrielle ANR-Safran Opale, Mines ParisTech PSL Research University / May 19th, 2017

Étudier les métaux à l’échelle mésoscopique, c’est à la fois une percée scientifique majeure et un enjeu de compétitivité pour la filière aéronautique. Une équipe de Mines ParisTech est à l’origine de ce changement d’échelle, qui permet des progrès considérables en termes de maîtrise industrielle.

Paris Innovation Review – Vous menez vos recherches dans le cadre d’une chaire industrielle ANR co-financée par le groupe Safran, dont l’objet est d’optimiser les propriétés de superalliages à base nickel. Ces superalliages ont-ils déjà un usage industriel ?

Nathalie Bozzolo – Oui. Il s’agit de matériaux métalliques qui servent à fabriquer certaines pièces des moteurs d’avion.

Ces pièces sont soumises à de fortes contraintes, car les parties chaudes des moteurs peuvent atteindre des températures de plus de 600°C. Il s’agit donc d’augmenter leur résistance et leur tenue dans ces conditions extrêmes. La température de fonctionnement est un paramètre essentiel de ces moteurs : plus elle est élevée, plus ils sont efficaces sur le plan énergétique. Développer des matériaux parfaitement fiables à des températures très élevées répond donc à un double enjeu économique et écologique.

Les superalliages qui nous intéressent sont polycristallins, comme la plupart des métaux et alliages usuels, et par opposition aux nuances monocristallines. Cette notion est attachée à leur structure microscopique : les matériaux polycristallins sont constitués d’une multitude de petits cristaux, appelés « grains », qui diffèrent par leur orientation et parfois par leur composition chimique. La taille de ces grains et leurs caractéristiques, en d’autres termes la microstructure, déterminent les propriétés d’emploi de ces matériaux.

Dans le cas des disques de turbines utilisées dans les moteurs d’avion, la microstructure doit être la plus homogène possible. La taille de grains notamment doit être fine (de l’ordre de 10 micromètres) et la plus constante possible en tout point de la pièce. Ces matériaux présentent néanmoins une certaine forme d’hétérogénéité à plus petite échelle. Les grains contiennent en effet de fines particules (de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres) de nature chimique différente, appelées précipités de seconde phase, qui permettent de durcir le matériau. Le durcissement des métaux par ajout d’éléments d’alliage et par formation de précipités est un principe fondamental et très répandu en métallurgie – pensez à la fonte par rapport au fer pur, par exemple.

Entrons dans les détails : comment obtient-on ces matériaux ?

Ce sont des alliages, qui résultent de fusion. Les pièces elles-mêmes sont produites par forgeage à chaud dans des presses de grande capacité et à des températures de l’ordre de 1000°C : à ces températures, les précipités durcissants sont dissouts, les alliages deviennent assez ductiles, assez malléables pour être forgés sans se rompre.

Le forgeage modifie la microstructure, les grains se déforment puis se régénèrent. Suite à l’accumulation de défauts (principalement des dislocations) la recristallisation se déclenche. À l’intérieur des grains a lieu en outre un phénomène de précipitation fine, plus ou moins rapide, qui voit évoluer leur structure au cours du refroidissement. Cette précipitation fine est une caractéristique importante des superalliages à base nickel.

Ce sont des phénomènes dynamiques, qui influent les uns sur les autres. Les défauts des grains influent sur la cinétique de précipitation. Et la quantité de défauts présents mais aussi la taille de ces grains et leurs caractéristiques dépendent des conditions de forgeage.

Nos recherches consistent précisément à étudier ces mécanismes à une échelle très fine – en mettant en œuvre une palette de techniques et outils de pointe et en alliant analyse expérimentale, modélisation et développement d’outils numériques avancés. Cette combinaison, qui a fait la preuve de son efficacité, est assez unique à la fois sur la scène académique internationale et dans le monde industriel.

Identifier, décrire et être en mesure de prédire les mécanismes métallurgiques à l’œuvre à fine échelle débouche sur un savoir pratique : cela donne des clés à nos partenaires industriels pour piloter leurs procédés et parfaitement contrôler les propriétés finales.

Quelles sont les propriétés visées ?

Elles sont diverses et il s’agit de les combiner au mieux, en sachant qu’une fois les pièces mises en service, leur microstructure va évoluer du fait des contraintes spécifiques qu’elles subissent.

S’agissant de moteurs d’avion, deux propriétés notamment sont visées : la résistance à la fatigue et au fluage.

La fatigue renvoie aux changements cycliques de régime subis par le moteur avec l’alternance des décollages et de la croisière. Il faut savoir qu’une contrainte cyclique peut, à terme, entraîner la rupture du matériau pour une contrainte inférieure à celle qui la provoquerait dans des conditions d’usage différentes.

Le fluage, c’est la déformation puis l’endommagement d’un matériau induits pendant le maintien prolongé d’une certaine température et d’une contrainte mécanique.

La dureté d’un matériau peut contribuer à sa résistance à la fatigue ; mais inversement elle peut indirectement le rendre plus sensible au fluage. Des microstructures différentes amèneront des propriétés différentes. Un élément important de la microstructure réside dans les dislocations– ce sont des défauts linéaires correspondant à des discontinuités dans l’organisation de la structure cristalline. Ces défauts amènent… des qualités : ils durcissent le matériau. Mais ils peuvent également mener à des précipités plus gros, alors que la propriété « résistance à la fatigue » les demande fins. Bref, il faut constamment trouver des compromis.

Comment procédez-vous pour mener ces recherches ?

La chaire Opale étudie ce qui se passe lors du forgeage : comment la mise en forme affecte la microstructure. Nous travaillons en étroite collaboration avec une équipe de l’Institut P’, de Poitiers, qui s’est spécialisé sur la relation entre microstructure et propriétés d’emplois ; notre collègue poitevin Patrick Villechaise est titulaire adjoint de la chaire Opale. Et nous avons un partenaire industriel dont certaines entités – Safran Aircraft Engineering, anciennement Snecma – sont spécialisées dans le forgeage.

Nous utilisons le logiciel Forge NxT, qui permet la simulation des procédés de mise en forme, à chaud et à froid. C’est une solution logicielle qui peut être qualifiée de mature – elle a près de 30 ans – mais reste en perpétuel développement. Elle intègre les développements numériques réalisés au sein de notre laboratoire et équipe aujourd’hui de très nombreux industriels dans le monde entier. Mais Forge nous donne des informations à l’échelle macroscopique, celle de la pièce entière, alors que nous travaillons pour notre part à l’échelle mésoscopique – celle des grains, intermédiaire entre la précédente et celle des atomes.

Pour aller plus loin, nous devons faire des essais de laboratoire, en reproduisant de façon très contrôlée – et en faisant varier les conditions – ce qui se passe dans les procédés industriels, pour observer l’évolution de la microstructure à la bonne échelle. Les échantillons de laboratoire utilisés pour nos analyses métallurgiques ont une taille de l’ordre du cm. Si l’on a besoin d’échantillons plus grands, par exemple pour en tester la tenue mécanique, on a recours aux presses industrielles de nos partenaires.

Entre les ingénieurs de Safran et notre équipe de recherche, les contacts sont fréquents, et c’est un échange à double sens.

Que leur apportons-nous ? Le regard à l’échelle mésoscopique produit des connaissances, une compréhension précise de certains phénomènes, dont ils ne disposent pas encore. Ils ont une connaissance empirique, qui va de pair avec la maîtrise industrielle des procédés : ils savent qu’en passant de 950 à 975°C ou en changeant de type de presse, on modifie telle propriété du matériau, mais ne savent pas nécessairement pourquoi. Ils ne peuvent pas tout prévoir et ils ont besoin des chercheurs pour comprendre ce qui se passe quand, pour des raisons contingentes ou dans le cadre d’expérimentations, ils changent leurs conditions de forgeage et tombent sur des effets secondaires non anticipés. La connaissance des mécanismes de métallurgie physique leur permet également d’appréhender plus facilement l’introduction de nouvelles nuances d’alliages. La plupart des paramètres sont spécifiques à chaque alliage, mais la physique sous-jacente, les tendances, les couplages, restent les mêmes. Les matériaux pour l’aéronautique sont en constante progression, il est indispensable de savoir s’adapter vite dans un contexte de concurrence mondiale sur le sujet.

Inversement, quand nous nous lançons dans une recherche ou une expérimentation, Safran nous fait bénéficier de ses connaissances, ce qui nous permet de gagner du temps. Les superalliages à base nickel ont été développés spécifiquement pour l’aéronautique, et les industriels possèdent une expertise irremplaçable en la matière.

turbine

Au-delà des apports de connaissance, quel est le sens de ce partenariat pour Safran ?

La maîtrise industrielle de ces superalliages est un enjeu crucial de compétitivité pour les motoristes de l’aéronautique. J’ai évoqué les questions d’efficacité énergétique, dont les aspects économiques sont évidents. Il y a aussi un enjeu de sûreté et de sécurité : un disque de turbine qui éclate peut percer la carlingue d’un avion, avec les conséquences que vous imaginez.

Un partenariat avec une équipe de recherche faisant référence est donc un élément important pour les motoristes. Tous les quatre ans a lieu une conférence réunissant l’ensemble de la communauté académique travaillant sur ces questions, et les industriels sont évidemment présents. Une présentation commune sur des recherches novatrices peut constituer un argument très convaincant auprès des clients, notamment quand ceux-ci sont dans la salle.

Dans le même temps, nous parlons de recherche publique, et vos résultats ont vocation à être publiés.

Bien sûr, mais entre le temps des résultats et celui de la publication, il y a un décalage dans le temps dont bénéficie notre partenaire. Et une publication ne reprend jamais l’ensemble des résultats d’une étude dans ses moindres détails. Nous ne sommes pas, entendons-nous bien, une filiale de la R&D de Safran : l’entreprise peut nous poser des questions, nous demander de travailler sur un sujet, avoir un accès privilégié à nos travaux, mais si nous expliquons que nous allons travailler pendant trois mois sur ce qui peut apparaître a priori comme un tout petit détail, nous le faisons, et notre partenaire nous fait confiance.

Le contexte d’une chaire industrielle permet de développer un programme de recherche d’envergure – Opale recouvre neuf thèses et cinq post-doctorats – alliant des études amont et des études en lien plus direct avec les problématiques industrielles. On parle beaucoup de structuration de la recherche ; le dispositif des chaires industrielles ANR s’inscrit dans cette logique et agit à un niveau qui fait vraiment du sens.

Par ailleurs ce milieu industriel est un écosystème où certaines connaissances sont partagées. Les chercheurs, qui travaillent avec les uns et les autres peuvent jouer un rôle utile, du fait de cette position transverse, pour suggérer des collaborations.

C’est notamment ce que nous avons fait via une autre chaire industrielle ANR, Digimu, dont le porteur est le numéricien Marc Bernacki, également membre d’Opale. Opale vise la compréhension des phénomènes métallurgiques, Digimu leur modélisation. À la manière du logiciel Forge, mais à une autre échelle, Digimu permet de simuler les phénomènes à l’échelle de la microstructure.

Le développement de méthodes numériques adaptées est un enjeu pour la diffusion de nos travaux. Mais il y a nécessairement un temps de retard. Ces calculs, nous les faisons depuis une dizaine d’années, ce sont des calculs originaux, puissants, mais très gourmands en ressources informatiques. L’objet de la chaire Digimu est de les faciliter en optimisant les méthodes numériques employées, et ainsi de permettre leur diffusion, à destination de nos partenaires d’abord, puis à terme à d’autres clients de Transvalor – exactement comme cela a été le cas pour le Forge. Il y a un décalage de plusieurs années entre ce que nous faisons en laboratoire et ce que peut faire Digimu.

Marc Bernacki a pu réunir autour de lui un consortium industriel comprenant six partenaires : ArcelorMittal, Areva, Ascometal, Aubert & Duval, CEA, Safran. Ils ont accepté de s’allier pour développer ces outils génériques, que chacun utilisera ensuite en fonction de ses propres matériaux et procédés. Chaque partenaire, pris isolément, n’aurait pas forcément eu les ressources ou les compétences, pour développer seul ces outils numériques. La chaire est un activateur de compétitivité à l’échelle d’un écosystème.

Votre laboratoire est à la frontière technologique. C’est un enjeu pour vos partenaires, mais c’est également un enjeu de compétitivité à l’échelle nationale. Cette dimension est-elle présente pour vous ?

Oui, pour plusieurs raisons. Tout d’abord, tout autant que nous c’est notre partenaire qui se situe à la frontière technologique. Cela nous offre des moyens sans commune mesure avec ce dont dispose un laboratoire universitaire sans contact direct avec l’industrie.

Dans le même temps, la reconnaissance dont nous bénéficions au sein de la communauté académique mondiale amène des groupes étrangers à nous solliciter, à venir discuter avec nous. Les japonais Mitsubishi, Toyota, Nippon Steel, les allemands Otto Fuchs KG et VDM Metals International GmbH sont ainsi venus nous voir.

La loyauté envers nos partenaires et leur écosystème de sous-traitants marque évidemment une frontière qui permet de délimiter ce que nous pouvons faire et ce qui « sort des clous ». La transparence est de rigueur : quand on nous sollicite, j’en parle avec mes partenaires et nous évaluons ensemble si le projet présente un intérêt global cohérent avec ce que nous faisons. Si c’est le cas, nous pouvons par exemple proposer le financement d’une thèse ou d’un post-doc.

Ce n’est pas toujours aussi simple, et il faut pour le comprendre se représenter ces prises de contact. S’il s’agit simplement de présenter vos travaux, vous maîtrisez le propos ; mais dans la discussion qui suit, vous allez nécessairement donner quelques idées en réponse aux problématiques industrielles évoquées. Or certains groupes se sont fait une spécialité d’aller voir différentes équipes et de recueillir ainsi de bonnes idées qu’ils travaillent ensuite à leur compte. Un chercheur n’est pas forcément formé à gérer ces enjeux, et il y a ici un apprentissage, l’acquisition d’une sensibilité particulière, bref des compétences qui sont plus communément partagées dans le monde industriel que dans le monde académique. A fortiori si, au-delà de la concurrence entre firmes, il y a des enjeux de compétitivité pour les économies nationales !

Un chercheur ne risque-t-il pas d’être entraîné hors des logiques qui régissent le monde académique, à ainsi être pris dans des questions engageant des aspects de concurrence, de compétitivité ?

Je poserais les choses autrement : en tant que chercheur, c’est une source de motivation de savoir que mes travaux ouvrent sur des débouchés industriels, qu’ils ont un impact direct dans la vie des entreprises ou la compétitivité de mon pays.

Ces objectifs ne sont pas contradictoires avec le service de la science : voyez la NASA, sa feuille de route est de servir la puissance américaine mais la question ne se pose pas de savoir si l’on y fait de la bonne recherche… Pour un chercheur, servir son pays ou plus simplement participer plus étroitement à la vie économique peut être une source de satisfaction, de motivation, et de reconnaissance. C’est une autre façon d’être utile.

Et c’est aussi un atout sur le plan académique. La finalité industrielle permet une mise en perspective du travail de recherche, lui donne de la profondeur. Les échanges avec nos interlocuteurs industriels attirent souvent notre attention sur des aspects que nous n’aurions pas forcément explorés : cela enrichit notre activité de chercheur. Ensuite, le monde académique et le monde industriel ont en commun de puissants effets de réseau. Il arrive que les réseaux se croisent et s’activent mutuellement. Il y a une forme d’effet de levier. Des portes s’ouvrent, on a accès à un savoir, à des équipements, à des questions qui permettent de faire avancer la recherche.

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