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aux Etats-Unis, et de nombreux éléments décoratifs faits de ce même métal ; par contre, le plastique remplace progressivement le cuivre, comme en Europe, dans les tuyauteries), son utilisation a fortement baissé dans l'automobile, avec la diminution de la taille des radiateurs, et dans les appareillages électroniques. Dans ce dernier cas, on assiste à la fois à une réduction de taille et à la généralisation des circuits imprimés. Mais la grande menace provient sans doute de l'évolution des télécommunications : les transmissions par satellites et l'emploi des fibres optiques semblent devoir porter un sérieux coup à la construction des grands câbles transo-océaniques en cuivre et même, à terme, aux lignes téléphoniques classiques. L'aluminium connaît des évolutions beaucoup plus contrastées, selon les secteurs. Il a détrôné le cuivre pour les transports d'électricité sous haute tension. Son usage croît lentement, mais de façon continue, dans l'automobile. Il connaît par ailleurs une utilisation de plus en plus large dans l'emballage, notamment pour les boîtes de bière et de boissons gazeuses, comme on l'a vu précédemment. Mais on a pu voir, à ce sujet, combien un tel domaine était sensible aux retournements de tendance rapides, en fonction des évolutions technologiques. Dans le bâtiment, par contre (la maison américaine fait largement appel à l'aluminium pour les portes et les fenêtres), il se voit attaqué sérieusement par les plastiques. Pour le plomb, rien n'a pu le remplacer dans les batteries automobiles, même si celles-ci se sont faites plus petites et moins gourmandes en métal. Dans l'essence, il est progressivement supprimé comme additif, sans réelle substitution. Par contre, il est progressivement remplacé par le titane ou le fer, sous forme d'oxydes, dans les peintures, avant tout pour des raisons de sécurité ; par l'acier dans les munitions et par le plastique dans les tuyauteries des maisons. 3.2. Une approche par procédés 3.2.1. La solidification rapide des métaux (RST) On assiste à une véritable explosion de ce domaine d'étude. Leur principe en est de refroidir très rapidement (de 103 à 10° degrés par seconde) l'alliage liquide, de façon à obtenir non plus une structure en grains, comme dans
contre (la maison américaine fait largement appel à l'aluminium pour les portes et les fenêtres), il se voit attaqué sérieusement par les plastiques. Pour le plomb, rien n'a pu le remplacer dans les batteries automobiles, même si celles-ci se sont faites plus petites et moins gourmandes en métal. Dans l'essence, il est progressivement supprimé comme additif, sans réelle substitution. Par contre, il est progressivement remplacé par le titane ou le fer, sous forme d'oxydes, dans les peintures, avant tout pour des raisons de sécurité ; par l'acier dans les munitions et par le plastique dans les tuyauteries des maisons. 3.2. Une approche par procédés 3.2.1. La solidification rapide des métaux (RST) On assiste à une véritable explosion de ce domaine d'étude. Leur principe en est de refroidir très rapidement (de 103 à 10° degrés par seconde) l'alliage liquide, de façon à obtenir non plus une structure en grains, comme dans les alliages classiques, mais un verre. On obtient ainsi une poudre d'un métal amorphe, qui est ensuite façonnée par les techniques classiques de la métallurgie des poudres. L'intérêt est que la corrosion, qui se développe justement, dans un alliage ordinaire, à la limite des joints, est dans ce cas largement réduite. On obtient, par ailleurs, une beaucoup plus grande homogénéité de répartition de certains éléments dans le verre, éléments qui seraient, dans un alliage classique, concentrés en certaines plages. C'est ainsi que le bore ajouté à un alliage RST donne une dispersion d'éléments de borure métallique qui confèrent à l'alliage des qualités exceptionnelles pour un outil de coupe. On voit donc immédiatement tout l'intérêt des alliages RST, à la fois pour diminuer les quantités de chrome allant dans les alliages inox et les quantités de cobalt allant dans les superalliages et les alliages pour outils. Les fabricants d'avions ou de moteurs se sont, de ce fait, intéressés très activement à cette technique. Pratt and Whitney Aircraft (J. Moore et C. Adam, 1981, Department of Commerce) révèle qu'il conduit des essais pour le département de la Défense sur la résistance aux déformations et à l'oxydation d'alliages utilisables pour des ailettes de
réduite. On obtient, par ailleurs, une beaucoup plus grande homogénéité de répartition de certains éléments dans le verre, éléments qui seraient, dans un alliage classique, concentrés en certaines plages. C'est ainsi que le bore ajouté à un alliage RST donne une dispersion d'éléments de borure métallique qui confèrent à l'alliage des qualités exceptionnelles pour un outil de coupe. On voit donc immédiatement tout l'intérêt des alliages RST, à la fois pour diminuer les quantités de chrome allant dans les alliages inox et les quantités de cobalt allant dans les superalliages et les alliages pour outils. Les fabricants d'avions ou de moteurs se sont, de ce fait, intéressés très activement à cette technique. Pratt and Whitney Aircraft (J. Moore et C. Adam, 1981, Department of Commerce) révèle qu'il conduit des essais pour le département de la Défense sur la résistance aux déformations et à l'oxydation d'alliages utilisables pour des ailettes de turbines. La figure 5 montre qu'un alliage RST (Ni-Mo-Al) a une déformation à chaud nettement inférieure à celle de l'alliage Mar-M 200 (Martin Marietta), qui contient 12 % de cobalt et 9 % de chrome. De même (fig. 6) un alliage RST à 3 % de chrome, avec adjonction de hafnium et d'ytrium (moins de 1 % au total) a une résistance à la corrosion quasi-nulle. L'alliage RST simple, sans hafnium et sans ytrium est nettement plus résistant que l'alliage classique F100 (composition non précisée). Fig. 5. — Déformation comparée : superalliages (MAR-M 200) et alliage RST (refroidissement rapide) 1 000 °C et 2 000 kg/cm2 (Source Pratt & Whitney Aircraft, 1981). Fig. 6. — Résistance à l'oxydation. Comparaison d'un alliage ordinaire et de deux alliages RST (solidification rapide). Oxydation cyclique à 1 150 °C. Perte en mg/cm2 par heure (Source Pratt & Whitney Aircraft, 1981). On assiste également à un grand nombre de travaux sur l'utilisation de l'aluminium dans des alliages RST. Ils pourraient concurrencer à l'avenir les alliages inox les plus résistants à la corrosion, et même le titane. Lockheed prédit ainsi l'utilisation accrue d'alliages RST d'aluminium, avec adjonction de lithium, qui remédie partiellement au point faible de
hafnium et d'ytrium (moins de 1 % au total) a une résistance à la corrosion quasi-nulle. L'alliage RST simple, sans hafnium et sans ytrium est nettement plus résistant que l'alliage classique F100 (composition non précisée). Fig. 5. — Déformation comparée : superalliages (MAR-M 200) et alliage RST (refroidissement rapide) 1 000 °C et 2 000 kg/cm2 (Source Pratt & Whitney Aircraft, 1981). Fig. 6. — Résistance à l'oxydation. Comparaison d'un alliage ordinaire et de deux alliages RST (solidification rapide). Oxydation cyclique à 1 150 °C. Perte en mg/cm2 par heure (Source Pratt & Whitney Aircraft, 1981). On assiste également à un grand nombre de travaux sur l'utilisation de l'aluminium dans des alliages RST. Ils pourraient concurrencer à l'avenir les alliages inox les plus résistants à la corrosion, et même le titane. Lockheed prédit ainsi l'utilisation accrue d'alliages RST d'aluminium, avec adjonction de lithium, qui remédie partiellement au point faible de ces alliages, à savoir leurs propriétés mécaniques. Pratt et Whitney signale qu'il a essayé avec succès des alliages RST Al-Fe-Mo qui ont des tenues correctes en déformation jusqu'à 350 °C. De même un alliage RST Fe-Al, avec adjonction de borure de titane, a une résistance à l'oxydation nettement supérieure à celle d'un alliage (Haynes 188) au cobalt et au chrome (18 % de Cr) (fig. 7). Fig. 7. — Résistances comparées à la corrosion de deux alliages classiques et d'un alliage RST (solidification rapide) à base d'aluminium. Pertes de masses en mg/cm2 par heure. Oxydation cyclique à 1200 °C. Devant cette explosion de projets et d'annonces, Battelle a développé à Columbus (Ohio) un centre de données sur ce sujet, le Rasomat Resource Centre (RApidly SOlidified MATerials). On voit donc là toute une gamme de substitutions au chrome. Il reste, cependant, que les alliages RST ne sont que peu développés industriellement (à part le Metglas d'Allied) et que leurs coûts sont appelés à rester longtemps encore supérieurs à ceux des alliages classiques. Le département de la Défense leur consacre cependant un très grand effort. Mais en contrepartie, on constate que les conférences qui leur sont consacrées sont de plus en plus
celle d'un alliage (Haynes 188) au cobalt et au chrome (18 % de Cr) (fig. 7). Fig. 7. — Résistances comparées à la corrosion de deux alliages classiques et d'un alliage RST (solidification rapide) à base d'aluminium. Pertes de masses en mg/cm2 par heure. Oxydation cyclique à 1200 °C. Devant cette explosion de projets et d'annonces, Battelle a développé à Columbus (Ohio) un centre de données sur ce sujet, le Rasomat Resource Centre (RApidly SOlidified MATerials). On voit donc là toute une gamme de substitutions au chrome. Il reste, cependant, que les alliages RST ne sont que peu développés industriellement (à part le Metglas d'Allied) et que leurs coûts sont appelés à rester longtemps encore supérieurs à ceux des alliages classiques. Le département de la Défense leur consacre cependant un très grand effort. Mais en contrepartie, on constate que les conférences qui leur sont consacrées sont de plus en plus réservées aux seuls citoyens américains ! 3.2.2. Les revêtements de surface Dans tous les cas où la corrosion est l'apport principal du métal à substituer, le revêtement de la surface de la pièce par un film résistant apporte évidemment une solution élégante. Des techniques se développent, qui tendent à remplacer le dépôt électrolytique traditionnel tout en diminuant notablement la quantité de métal noble utilisé. Le cœur de la pièce peut être fabriqué en un alliage moins résistant à la corrosion ou moins dur que la couche de surface. On assiste ainsi au développement des dépôts à chaud, à partir d'un plasma à haute température, parfois avec des explosions qui améliorent la continuité entre pièce et dépôts. Un traitement au laser ou par un jet d'électrons peut « glacer » la surface en créant une couche de métal amorphe à partir de la pièce elle-même, sans apport de métal étranger. On assiste aussi à l'implantation d'ions métalliques ou de métalloïdes (carbone, bore...). Ainsi le laboratoire de Los Alamos du département de l'Energie a-t-il développé un acier au nickel-tungstène ayant les mêmes propriétés de surface qu'un acier au cobalt. Pratt et Whitney étudie le remplacement d'un superalliage Co-Cr-Al-Y (67 % de cobalt)
le dépôt électrolytique traditionnel tout en diminuant notablement la quantité de métal noble utilisé. Le cœur de la pièce peut être fabriqué en un alliage moins résistant à la corrosion ou moins dur que la couche de surface. On assiste ainsi au développement des dépôts à chaud, à partir d'un plasma à haute température, parfois avec des explosions qui améliorent la continuité entre pièce et dépôts. Un traitement au laser ou par un jet d'électrons peut « glacer » la surface en créant une couche de métal amorphe à partir de la pièce elle-même, sans apport de métal étranger. On assiste aussi à l'implantation d'ions métalliques ou de métalloïdes (carbone, bore...). Ainsi le laboratoire de Los Alamos du département de l'Energie a-t-il développé un acier au nickel-tungstène ayant les mêmes propriétés de surface qu'un acier au cobalt. Pratt et Whitney étudie le remplacement d'un superalliage Co-Cr-Al-Y (67 % de cobalt) par un alliage revêtu d'une couche de surface Ni-Co-Cr-Al-Y à 23 % de cobalt seulement. Le revêtement des pièces métalliques par des couches de céramiques, enfin, est tout à fait à l'ordre du jour, et l'on assiste à une éclosion de travaux sur les conditions d'adhésion optimale à l'interface. EN GUISE DE CONCLUSION : LES MATERIAUX NOUVEAUX Nous n'avons guère parlé jusqu'ici des céramiques, des matériaux composites ou encore des nouveaux polymères, bien que chacun s'accorde à penser qu'à moyen terme leur développement présente les plus fortes probabilités de bouleversement du panorama traditionnel des matériaux utilisés par l'industrie ; et implique donc les substitutions les plus radicales. Les crédits de recherche qui sont consacrés à ces deux types de matériaux nouveaux sont d'au moins la moitié du total consacré aux matériaux, soit environ un demi-milliard de dollars par an. Ils bénéficient d'un contexte psychologique extraordinairement favorable, associés étroitement qu'ils sont à l'industrie aéronautique et, surtout, spatiale, ce qui facilite le financement des recherches et la création d'équipes de qualité, notamment dans les universités. Et pourtant leur développement se heurte à des obstacles et des pesanteurs qu'il n'est pas inutile d'analyser, car elles caractérisent bien les processus du changement dans l'utilisation
GUISE DE CONCLUSION : LES MATERIAUX NOUVEAUX Nous n'avons guère parlé jusqu'ici des céramiques, des matériaux composites ou encore des nouveaux polymères, bien que chacun s'accorde à penser qu'à moyen terme leur développement présente les plus fortes probabilités de bouleversement du panorama traditionnel des matériaux utilisés par l'industrie ; et implique donc les substitutions les plus radicales. Les crédits de recherche qui sont consacrés à ces deux types de matériaux nouveaux sont d'au moins la moitié du total consacré aux matériaux, soit environ un demi-milliard de dollars par an. Ils bénéficient d'un contexte psychologique extraordinairement favorable, associés étroitement qu'ils sont à l'industrie aéronautique et, surtout, spatiale, ce qui facilite le financement des recherches et la création d'équipes de qualité, notamment dans les universités. Et pourtant leur développement se heurte à des obstacles et des pesanteurs qu'il n'est pas inutile d'analyser, car elles caractérisent bien les processus du changement dans l'utilisation des matériaux et, par là même, les substitutions. Les céramiques présentent des propriétés exceptionnelles, qui leur permettront sans doute de mordre considérablement sur le domaine des superalliages : leur résistance à l'abrasion est exceptionnelle et elles gardent leurs propriétés mécaniques jusqu'à des températures très élevées, de l'ordre de 800 °C au minimum. D'où une utilisation possible comme ailettes de turbines de moteurs d'avion ou comme pièces ou revêtements de moteurs thermiques. Quant aux composites, ils allient à un poids faible des qualités de résistance mécanique inégalées par les meilleurs métaux. Mais dans l'un ou l'autre des cas, des problèmes de fiabilité des matériaux demeurent : les céramiques restent fragiles, malgré de sérieux progrès, notamment du côté des composites céramique-céramique ; et la reproductibilité des qualités des pièces est difficile à atteindre. Les composites ont un point faible, l'adhésion des fibres à la matrice, et les défauts des pièces à cet égard sont très difficiles à déceler par des méthodes non destructives malgré, là aussi, des progrès des méthodes d'auscultation par rayons X ou micro-ondes. Et ces problèmes de fiabilité constituent actuellement de sérieux obstacles au développement de ces matériaux. Un constructeur de moteur d'avion hésite à se lancer dans une
au minimum. D'où une utilisation possible comme ailettes de turbines de moteurs d'avion ou comme pièces ou revêtements de moteurs thermiques. Quant aux composites, ils allient à un poids faible des qualités de résistance mécanique inégalées par les meilleurs métaux. Mais dans l'un ou l'autre des cas, des problèmes de fiabilité des matériaux demeurent : les céramiques restent fragiles, malgré de sérieux progrès, notamment du côté des composites céramique-céramique ; et la reproductibilité des qualités des pièces est difficile à atteindre. Les composites ont un point faible, l'adhésion des fibres à la matrice, et les défauts des pièces à cet égard sont très difficiles à déceler par des méthodes non destructives malgré, là aussi, des progrès des méthodes d'auscultation par rayons X ou micro-ondes. Et ces problèmes de fiabilité constituent actuellement de sérieux obstacles au développement de ces matériaux. Un constructeur de moteur d'avion hésite à se lancer dans une procédure de certification d'un nouveau type de produit s'il sait que des réticences sur la qualité des matériaux, dans un domaine où la sécurité prime, risquent de conduire les autorités fédérales à le renvoyer à sa table à dessin. De même en automobile : lancer un modèle de turbopompe utilisant les céramiques, et devoir rappeler quelques dizaines de milliers de voitures pour cause de défaillance du matériau n'est pas une perspective qui enchante un constructeur ! La presse américaine est prompte à rapporter et amplifier toutes les nouvelles de défaillances d'appareillages ou de matériaux — comme le montre un long article du Wall Street Journal sur les problèmes causés par certains aciers HLSA — et les constructeurs en sont très conscients. Le souci de jouer la sécurité avant tout est bien une réaction générale de l'industriel, en particulier face au choix de ses matériaux. C'est bien dans cette perspective que se place le fait, évoqué précédemment, que les quantités de métaux stratégiques comme le chrome et le cobalt utilisés dans les alliages sont le plus souvent largement supérieures à celles requises pour satisfaire aux besoins réels. Les industries de défense peuvent parfois s'affranchir de ces lourdeurs dues aux contraintes de
les céramiques, et devoir rappeler quelques dizaines de milliers de voitures pour cause de défaillance du matériau n'est pas une perspective qui enchante un constructeur ! La presse américaine est prompte à rapporter et amplifier toutes les nouvelles de défaillances d'appareillages ou de matériaux — comme le montre un long article du Wall Street Journal sur les problèmes causés par certains aciers HLSA — et les constructeurs en sont très conscients. Le souci de jouer la sécurité avant tout est bien une réaction générale de l'industriel, en particulier face au choix de ses matériaux. C'est bien dans cette perspective que se place le fait, évoqué précédemment, que les quantités de métaux stratégiques comme le chrome et le cobalt utilisés dans les alliages sont le plus souvent largement supérieures à celles requises pour satisfaire aux besoins réels. Les industries de défense peuvent parfois s'affranchir de ces lourdeurs dues aux contraintes de qualité : non pas que leurs niveaux de spécifications techniques soient plus bas, au contraire ; mais parce que les séries sont plus faibles et que les pièces peuvent être vérifiées une à une. La navette spatiale américaine a ainsi utilisé bon nombre de pièces faites de composites, notamment carbone-époxy. Mais chaque pièce a été testée individuellement, le coût étant secondaire par rapport aux impératifs de sécurité. On aborde, avec la question des coûts, un autre obstacle aux substitutions rapides. Les coûts des métaux traditionnels sont, en moyenne, si bas, la crise économique aidant, que rien n'incite vraiment les industriels à leur substituer rapidement des matériaux nouveaux, sauf dans des domaines très spécifiques où les avantages de performance sont décisifs. Car céramiques et composites restent cher, tant que leur fabrication est limitée. On rejoint ici le fait que beaucoup de leurs premières applications vont aux domaines des armements et de l'espace, où les contraintes de coûts sont moindres. Par ricochet, d'ailleurs, comme il s'agit de domaines très sensibles, les informations techniques circulent moins bien et constituent un obstacle supplémentaire : c'est ainsi que, pour pratiquement tous les développements des composites céramique-céramique ou à matrice métallique, le département de la Défense
Mais chaque pièce a été testée individuellement, le coût étant secondaire par rapport aux impératifs de sécurité. On aborde, avec la question des coûts, un autre obstacle aux substitutions rapides. Les coûts des métaux traditionnels sont, en moyenne, si bas, la crise économique aidant, que rien n'incite vraiment les industriels à leur substituer rapidement des matériaux nouveaux, sauf dans des domaines très spécifiques où les avantages de performance sont décisifs. Car céramiques et composites restent cher, tant que leur fabrication est limitée. On rejoint ici le fait que beaucoup de leurs premières applications vont aux domaines des armements et de l'espace, où les contraintes de coûts sont moindres. Par ricochet, d'ailleurs, comme il s'agit de domaines très sensibles, les informations techniques circulent moins bien et constituent un obstacle supplémentaire : c'est ainsi que, pour pratiquement tous les développements des composites céramique-céramique ou à matrice métallique, le département de la Défense impose de très sérieuses restrictions à l'information des chercheurs non américains. Y a-t-il, dans ces conditions, place pour une réelle politique volontariste de substitutions minérales et de métaux en particulier, dans nos sociétés modernes ? Ou les effets d'une intervention en la matière s'en feront-ils ressentir trop longtemps après que les effets à contrebalancer, rupture d'approvisionnement ou évolution erratique des prix, auront disparu ? Le débat est posé aux Etats-Unis. Sans qu'il soit absolument tranché, la réponse généralement apportée est négative et, se retranchant derrière la protection de son stock stratégique, le gouvernement fédéral semble se résoudre à limiter son intervention à ses seuls appuis aux actions de recherche et de développement. ANNEXE Substitution de métaux stratégiques — Programme COSAM (NASA) Organisme concerné Métal étudié Alliages étudiés Columbia University Co Purdue Special Metals Corp. Waspalloy, U700 U720, Nimonic 115 Battelle Columbus NASA Lewis Research Center NASA Lewis Research Center Co PM U 700, René 150 Case Western University Co-Ta Mar-M 247 NASA Lewis Research Center Michigan Technological Univ. General Electric » Mar-M 247 B 1900 TRW » NASA Lewis Research Center Case Western Nb IN 718 Étude de composés intermétalliques NASA Lewis Research Center déformations mécaniques Stanford de FeAl, NiAl,