De nouveaux matériaux économiques susceptibles de remplacer l'acier inoxydable

Des chercheurs sont en train de développer une nouvelle génération de matériaux qui pourraient remplacer certaines matières premières critiques et offrir de meilleures performances que l'acier inoxydable.

De nouveau matériaux intermétalliques pourraient remplacer l'acier inoxydable dans de nombreux produits industriels importants, en particulier quand il s'agit de les utiliser dans des conditions extrêmes où ils doivent résister à l'usure et à la corrosion.

Les composés intermétalliques existants d'aluminure de fer combinent les propriétés des métaux et des céramiques mais sont difficiles à transformer en véritables produits car ils ne sont pas aussi ductiles que l'acier inoxydable ni aussi facilement usinables ou soudables que les autres métaux.

"Nous voulons que ces nouveaux matériaux possèdent les propriétés des matériaux intermétalliques habituels – une dureté élevée, une densité relativement faible ainsi qu'une forte résistance à la corrosion et à l'érosion – tout en leur conférant de nouvelles propriétés", explique Costas Charitidis, coordinateur du projet et professeur de génie chimique à l'Université technique nationale d'Athènes.

"S'ils sont moins cassants et qu'il est possible de les souder, entièrement ou partiellement, alors ils peuvent parfaitement remplacer l'acier inoxydable à haute ductilité, mais, en étant plus durs et plus légers, ils seraient meilleurs que ce dernier", indique M. Charitidis.

De nouveaux matériaux ont été développés dans le cadre du projet EQUINOX. L'équipe a fabriqué une matière préformée poreuse, comme une éponge, dans laquelle elle a injecté de l'aluminium liquide ou une coulée à base de fer et d'aluminium. Ces métaux sont plus abondants et moins chers que le chrome – une matière première critique et stratégique pour l'Europe – qui est utilisé dans l'acier inoxydable.

"Une autre avancée significative réside dans le fait que nous soyons en mesure d'usiner ces nouveaux matériaux intermétalliques. Nous pouvons également fabriquer des moules qui imiteraient la forme de la pièce finale pour produire les matériaux préformés en fer", explique Panagiotis Kavouras, chercheur principal à l'Université technique nationale d'Athènes. "Grâce à ce procédé, nous avons réussi à créer des matériaux en vrac avec des formes complexes, et pas seulement des barres ou des cylindres."

Les démonstrateurs

Deux démonstrateurs différents ont été construits et adaptés à des applications spécifiques: un petit disque de frein de voiture et une pièce de moteur-fusée à propergol liquide. "Il s'agit d'applications réelles pour les nouveaux matériaux intermétalliques que nous avons mis au point", explique M. Charitidis.

Le système de freinage automobile a été testé dans un environnement simulé et a également subi des essais où il a été exposé à un brouillard salin dans le cadre de la procédure standard pour évaluer sa résistance à la corrosion. L'élément du moteur-fusée à propergol liquide a fait l'objet d'essais de résistance à l'érosion.

Des demandes de brevet ont été déposées pour les deux nouveaux procédés: l'un pour la fabrication des disques de frein de voiture et l'autre pour la partie d'ailette de moteur-fusée à propergol liquide. "Ces résultats prouvent que le procédé EQUINOX présente un fort potentiel, et qu'il aboutira à de véritables produits industriels", fait remarquer M. Kavouras.

"Même si le projet a débuté à un niveau comparable à celui de recherches fondamentales, nous avons mis en œuvre non seulement des essais de laboratoire classique, mais également des essais de laboratoire de type industriel", explique M. Kavouras. "Nous n'en sommes pas encore à l'échelle industrielle, mais nous sommes proches de l'échelle pilote, ce qui constitue un grand pas en avant."

Un défi de taille

"Au cours des derniers mois du projet, nous avons réussi à produire un matériau intermétallique à haute ductilité, ce qui prouve que le procédé EQUINOX peut ouvrir la voie à une véritable révolution", ajoute-t-il.

Au début, l'un des principaux défis a consisté à étudier un grand nombre de types différents de préformes poreuses et de types de coulées à différentes températures. Il a été ainsi possible de passer de plus de 2 000 combinaisons des différents paramètres à seulement quelques douzaines de combinaisons sur lesquelles une méthode expérimentale a été appliquée, en procédant par tâtonnements à l'aide de modélisations et de simulations sophistiquées.

"Modélisation et simulation ont été absolument essentielles à la réussite du projet. Ces étapes de simulation nous ont permis d'éviter de nombreuses années d'expérimentations laborieuses", précise M. Kavouras.