« Notre métier est de mettre en relation la structure des matériaux métalliques et leurs propriétés », explique Frédéric Prima, à peine assis dans la pièce qui fait office de réfectoire. En quelques mots, ce professeur des universités résume le savoir-faire de l’équipe de métallurgie structurale (MS) qu’il dirige. Implantée dans le 5e arrondissement de Paris, cette petite structure fait partie de l’Institut de recherche de Chimie Paris, une unité mixte de recherche qui dépend du CNRS et de Chimie ParisTech-PSL.
Son expertise lui vaut des rapprochements avec l’industriel Safran depuis une petite quinzaine d’années. Les liens se sont encore resserrés avec l’inauguration en juin dernier, pour cinq années renouvelables, d’un laboratoire commun de recherche (lab-com), nommé Camelia. Un acronyme fleuri qui désigne la conception d’alliages métalliques innovants pour l’aéronautique.
Come SITTLER Le microscope électronique à transmission sonde la matière jusqu’à l’échelle atomique. (Photo : Côme Sittler)
Les alliages métalliques en question, censés rompre avec l’état de l’art, pourraient équiper un jour les futurs turboréacteurs de l’équipementier aéronautique, impliqué dans cette collaboration au travers de Safran Tech, son centre de recherche et de technologie. « Nous voulons sortir de l’innovation incrémentale, de l’amélioration à la marge, confirme Frédéric Prima. On s’autorise à prendre certains risques, ce qui est payant, selon moi : les chances d’échouer sont nombreuses, mais si nous réussissons, une vraie rupture technologique est au bout. »
Moins d'énergie et moins de carburant nécessaires
Pour clarifier le but de Camelia, il décrit le fonctionnement d’un turboréacteur et s’attarde sur la série de turbines dont le rôle est d’accélérer l’air dès son admission dans le moteur. À proximité de la chambre de combustion, certains alliages de nickel (les superalliages) sont parmi les seuls à conserver les propriétés mécaniques adéquates, malgré des températures de 700 °C et au-delà. Mais étant très denses, ils alourdissent les pièces du moteur en rotation, à savoir les turbines. Face à cette problématique, « nous allons développer des alliages légers capables de fonctionner à ces températures élevées pour remplacer certaines pièces plus lourdes ». Ces alliages moins denses se fondent sur le titane, la spécialité du laboratoire MS. Ils réclameraient moins d’énergie pour leur mise en rotation dans le moteur, donc moins de carburant. « Les alliages de titane ne sont pas utilisés au-delà de 600 °C, leurs propriétés mécaniques s’altérant trop significativement, ajoute Frédéric Prima. On souhaiterait les maintenir autant que possible dans la plage entre 600 et 700 °C. » Cela n’a rien d’évident. « On essaye de combiner des propriétés mutuellement exclusives. C'est un défi de trouver des alliages métalliques à la fois légers et réfractaires, résistant aux hautes températures. »
L’idée est de construire avec Safran Tech une plateforme pour élaborer des alliages métalliques en boucle courte.
Mais de quoi est fait cet alliage de titane, léger et robuste, qui craindrait moins les coups de chaud ? Frédéric Prima évoque la micro-addition d’éléments particuliers qui exacerbent les propriétés des alliages à haute température, sans en dire plus, en raison d’un prochain dépôt de brevet. Le professeur se montre cependant plus loquace sur la méthode : « L’idée est de construire avec Safran Tech une plateforme expérimentale pour la mise au point d’alliages métalliques en boucle courte et de coupler les chaînes expérimentales et numériques. » Cette boucle courte se matérialise de part et d’autre du couloir traversant le laboratoire. Dans la plupart des salles attenantes sont installés les machines et instruments pour fabriquer, transformer et caractériser les échantillons métalliques qui feront avancer Camelia. Tout un équipement à la disposition du chercheur afin qu’une idée puisse aboutir à une preuve de concept. Ce mode opératoire « vertical » s’accorde avec les attentes de Safran : « Si nous voulons développer un nouveau matériau innovant, il faut que cela aille vite. Notre laboratoire n’est pas le mieux équipé du monde mais tous les équipements nécessaires y sont regroupés et accessibles facilement. »
Come SITTLER Le laminoir, utilisé à chaud ou à froid, confère à l’alliage métallique des microstructures particulières. (Photo : Côme Sittler)
Le four à arc et ses lingotières, pour faire fondre les métaux, sont le point de départ de cette boucle courte, suivi par l’étape de transformation thermomécanique. « Nous cherchons à contrôler la microstructure de l’alliage, qui conditionne en grande partie les propriétés finales : la nature, la fraction et la dispersion des phases, la taille et l’orientation des grains... », indique Frédéric Prima. Après traitement chimique et polissage, l’échantillon peut être examiné de l’échelle macroscopique à l’échelle atomique. À ce titre, l’un des fleurons du laboratoire est son énorme microscope électronique à transmission, qui peut fournir des données cristallographiques et spectroscopiques. « On peut même y réaliser des essais mécaniques, qui livrent des informations sur les mécanismes sous-jacents expliquant telle propriété », commente Frédéric Prima.
L’acquisition, cofinancée par Safran, d’une machine de 300 kilonewtons pour la mise en forme et les essais mécaniques de traction-compression à haute température va permettre de « vraiment accélérer », souligne Frédéric Prima. « De nombreux matériaux que l’industrie utilisera dans quinze ans n’existent pas encore. » Un champ d’investigation dont va s’emparer en partie Camelia pour l’aéronautique. « Les besoins industriels évoluent vite. Et la crise des ressources en métaux qui se profile va aussi révolutionner la métallurgie. »
L’IA relie simulation et expérience
Durant les cinq années que durera le labcom Camelia, la simulation numérique et les expérimentations vont se nourrir mutuellement. « Des logiciels de modélisation thermodynamique ou à l’échelle atomique, de type ab initio, guideront en amont nos stratégies de conception des alliages métalliques, détaille Frédéric Prima. En aval, l’exploitation des résultats expérimentaux par l’apprentissage automatique permettra d’obtenir des corrélations, d’observer comment la variation d’un paramètre, comme la composition chimique, influence la variation d’une propriété. » Une première base de données pour l’entraînement du modèle d’IA a été constituée à partir d’une dizaine d’alliages et de la mesure de leurs propriétés. La partie R&D consacrée à l’IA sera localisée chez Safran, qui possède les spécialistes ad hoc.
