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Les métaux de demain : plus performants, moins chers !

M. L. T.
- Sous la pression de l'automobile, de l'aéronautique et du BTP, les producteurs s'efforcent de concilier l'inconciliable.

Quelles sont les solutions actuellement étudiées dans les laboratoires des producteurs de métaux ? Nous levons ici une partie du voile pour vous donner une idée des aciers, alliages d'aluminium et de titane qui seront disponibles dans les cinq ans à venir. Où l'on se rend compte que les producteurs doivent faire converger deux exigences incompatibles : améliorer les caractéristiques des métaux tout en réduisant les coûts.

Dans le domaine des aciers, la R&D est clairement tirée par le marché de l'automobile. Au centre de recherche de Montataire (Oise), Arcelor développe ainsi des panneaux colaminés acier/polymère. L'idée de base est de combiner la facilité de formage et de mise en peinture de l'acier avec la résistance aux petits impacts du polymère. Deux applications sont mises en avant lors des démonstrations : une aile avant et un panneau intérieur de portière. Par rapport à une solution tout acier, les atouts du colaminé seraient une réduction de poids de 30 à 50 %, une meilleure tenue aux petits impacts et une absorption sonore améliorée.

ThyssenKrupp mène, de son côté, le projet NSB (New steel body) sur une technique économique de construction légère en acier pour carrosseries. La réduction de poids annoncée est de 24 %, soit 75 kg sur une caisse en blanc d'un véhicule de référence (un monospace compact). Et ce, sans augmentation significative des coûts de fabrication. L'autrichien Voestalpine développe, quant à lui, des nouveaux flans raboutés (TWB, pour Tailored welded blanks) destinés aux intérieurs de portières, longerons et ailes.

En dehors de l'automobile, la R&D sur les aciers porte notamment sur la construction et le BTP. Parmi les tout derniers brevets déposés par Arcelor, on note des panneaux autoportants résistants au feu pour le bâtiment. Arcelor et ThyssenKrupp viennent, par ailleurs, d'achever un programme européen sur des structures destinées au transport de gaz et autres fluides corrosifs. Les matériaux choisis, des aciers Inox supermartensitiques soudables et très résistants à la corrosion, visent à remplacer les aciers au carbone ou duplex. L'aciériste suédois SSAB travaille, de son côté, sur l'utilisation d'aciers à ultra haute résistance dans la fabrication de grues, en partenariat avec le Cetim.

L'acier veut réduire ses émissions de CO2

Tout un pan de la R&D sur l'acier est consacré à l'environnement. Arcelor est à l'origine du programme européen Ulcos sur la réduction des émissions de CO2 (voir encadré ci-dessus). Le sidérurgiste développe par ailleurs un procédé pour la production de phases métalliques et minérales valorisables à partir de coproduits générés par la sidérurgie (et d'autres industries). La phase métallique obtenue est une fonte contenant de 3 à 5 % de carbone, moins de 0,05 % de soufre et moins de 0,15 % de silicium. L'autre atout de ce procédé de fusion réductrice à haute température est son bilan CO2 : une diminution de 0,9 tonne de CO2 émis est obtenue par tonne de coproduits enfournés.

La recherche sur les alliages d'aluminium est au moins aussi foisonnante que celle des aciers. En particulier dans les domaines majeurs que sont l'aéronautique (où le matériau est concurrencé par les composites) et l'automobile (où la compétition fait rage avec l'acier et les matériaux organiques). L'un des projets fédérateurs de recherche implique notamment Corus, Alcan et Hydro Aluminium sur la purification de l'aluminium liquide. Un programme auquel participent aussi le CNRS et l'Institut national polytechnique de Grenoble. Ce projet, dénommé MAP, vise à se débarrasser - de manière économique - des contaminants comme le fer, le silicium et le manganèse par la formation d'intermétalliques puis leur séparation.

L'aluminium optimise sa tenue au crash

Chez Alcan, numéro 1 européen de l'aluminium, l'essentiel des recherches porte sur l'aéronautique (voir encadré ci-contre) et l'automobile. Dans ce domaine, ses travaux visent en particulier l'allègement. « Nous travaillons, par exemple, sur un pavillon, explique Serge Bercovici, directeur général d'Alcan-Centre de recherches de Voreppe (Isère). Le problème est de pouvoir installer cette pièce sur la structure d'acier de façon à ce qu'elle ne se déforme pas lors du recuit de la mise en peinture. Nous avons alors conçu une solution à base de tôle d'aluminium-silicium-magnésium, dont le comportement à la dilatation différentielle avec l'acier a été amélioré. »

Alcan cherche aussi à optimiser le comportement au crash des structures comme les pare-chocs. Grâce à des alliages du type 6005A pour les profilés et à une conception adaptée, des allègements de 40 à 50 % par rapport à l'acier seraient obtenus. Alcan a, par ailleurs, breveté un procédé d'emboutissage "à tiède", adapté aux pièces de carrosserie.

Pour le marché de l'automobile, l'américain Alcoa développe des tôles en aluminium (incluant du silicium, du manganèse et du magnésium) combinant une résistance élevée, une aptitude à la déformation et une forte tenue au choc. Chez l'anglais Corus, les travaux portent en particulier sur un alliage aluminium-magnésium-silicium laminé pour la production d'éléments de carrosserie.

Pour l'aéronautique, Corus a conçu un alliage aluminium-zinc qui allie résistance, tenue à la corrosion et ténacité. Ce matériau serait destiné à la production de plaques minces pour des éléments d'extrados d'ailes d'avions. Pour la structure des avions, la société britannique développe des alliages aluminium-cuivre à haute tolérance aux dommages, en particulier à la propagation de fissures.

Le titane sur la voie électrolytique

Le titane vit, quant à lui, une rupture technologique dont l'arrivée pourrait baisser les prix, le gros problème de ce matériau. Et ainsi favoriser le développement d'applications hors aéronautique et défense comme l'automobile ou le bâtiment.

Des procédés électrolytiques d'extraction sont apparus comme la technique FFC - des initiales de ses inventeurs - développée à l'université de Cambridge (Grande-Bretagne). S'inspirant de la production de l'aluminium, la technique permet de passer directement du TiO2 solide au titane. Ce schéma s'affranchit des multiples étapes du procédé classique Kroll qui fait, lui, intervenir des sels de titane en solution. D'où l'impact sur les prix. Timet, le producteur américain de titane, annonce vouloir commercialiser le procédé FFC d'ici à quatre ans.

Enfin, le titane pourrait bientôt voir ses propriétés améliorées grâce aux nanotechnologies. Lors des Journées technologiques de juin dernier de l'Association Titane, Jian Lu de l'Université de technologie de Troyes (Aube) présentait ses travaux sur la génération de nanostructures superficielles par déformation plastique du matériau. Le procédé dénommé Smat (Surface mechanical attrition treatment) augmenterait les propriétés mécaniques du titane mais aussi sa biocompatibilité. Les chercheurs songent d'abord à des applications fonctionnelles du type Mems et en optoélectronique.

L'ESSENTIEL

- Les producteurs d'acier se sont alliés pour réduire fortement leurs émissions de CO2. - Les fournisseurs d'aluminium travaillent à purifier de manière économique le métal liquide. - Le titane sera peut-être bientôt moins cher grâce à un procédé électrolytique.

Serge Bercovici Directeur général d'Alcan- Centre de recherches de Voreppe (CRV)LA MÉTALLURGIE MODÉLISÉE EST UN DÉVELOPPEMENT MAJEUR "

Depuis l'acquisition de Pechiney, le centre de recherches de Voreppe (CRV) est la plus importante entité de R&D d'Alcan. Le site de la région grenobloise apporte, en particulier, son expérience dans le domaine de l'aéronautique. Les travaux visent deux objectifs : alléger de 20 % tout en réduisant les coûts de 30 % d'ici à la prochaine génération d'avions, soit cinq à dix ans. « Nous travaillons alors sur des alliages plus légers, comme les alliages aluminium-lithium, mais pas seulement, explique Serge Bercovici, directeur général du centre. Nous développons aussi la métallurgie modélisée, à la suite du programme Vircast sur la modélisation de la coulée semi-continue pour la production de très gros lingots en alliages durs. Enfin, nous étudions des méthodes d'assemblage comme le soudage par friction ou par laser. Nous participons d'ailleurs sur ce thème au programme européen Wel-Air avec notamment Airbus et Dassault. » Alcan est par ailleurs partenaire de trois autres programmes européens en aéronautique : sur la production de panneaux par formage-revenu (programme Ageform), sur les tolérances aux dommages (IDA) et sur des traitements de surface à bas coût (Lisa).

Jérôme Granboulan Directeur de l'innovation chez ArcelorLES ACIÉRISTES COLLABORENT POUR MIEUX INNOVER"

S'allier avec ses concurrents plutôt que se confronter : telle pourrait être la devise de la politique de R&D menée par Arcelor. Le sidérurgiste est, par exemple, à l'origine du programme européen Ulcos (Ultra low CO2 steelmaking), qui implique notamment Corus, ThyssenKrupp, Voestalpine... Ce projet est d'importance puisqu'il vise à réduire les émissions de CO2 de 30 à 70 % d'ici à cinq ans, dans le cadre du protocole de Kyoto. Selon Jérôme Granboulan, directeur de l'innovation, plusieurs technologies vont être étudiées pour y parvenir : la réduction du minerai de fer par l'hydrogène ou par électrolyse, le piégeage du CO2... Dans le domaine de l'automobile, Arcelor mène des recherches dans le cadre d'une alliance stratégique avec Nippon Steel. « L'un des axes majeurs de nos travaux en commun est la recherche d'allègement », précise Jérôme Granboulan. Enfin, Arcelor a signé, en février dernier, un accord pluriannuel de R&D avec ThyssenKrupp sur les aciers à haut manganèse de la génération TWIP pour pièces de structure dans l'automobile.

LE FER-ALU 25 % PLUS LÉGER QUE L'ACIER

- L'alliage FeAl40 est constitué de 76 % en masse de fer et de 24 % d'aluminium (40 % en nombre d'atomes), plus quelques éléments dopants comme le zirconium et le bore. Développé par Mecachrome (Vibraye, Sarthe) après un transfert de technologie du CEA, ce matériau est 25 % moins dense que l'acier. Le projet Alpha vise à concevoir des utilisations industrielles du FeAl40. La première pièce étudiée est un arbre de turboréacteur pour drones. Mais sa faible densité et ses bonnes propriétés mécaniques conviendraient à d'autres pièces en mouvement (axes, soupapes...) pour l'aéronautique ou l'automobile.

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