28 avril 2009 à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne : LA PROPRETE DES MATERIAUX
organisée par le CEM avec l'appui de la SF2M
Cette journée a rassemblé une cinquantaine de personnes dont la moitié constituée par des représentants du monde industriel
et l'autre moitié par des représentants des centres techniques (CTIF, CEA, LCPC), des centres universitaires et des institutionnels.
Après une introduction générale sur l'origine et l'influence des inclusions sur les propriétés de mise en œuvre et d'emploi des matériaux
métalliques, a été exposé l'état d'avancement d'un projet soutenu par l'ANR sur 4 ans (2007-2011) relatif à la prédiction du comportement
en poche du métal liquide lors des opérations de métallurgie secondaire. Ce projet piloté par l'Ecole des Mines de Nancy, associe plusieurs
équipes appartenant à différents laboratoires (centre SPIN de l'Ecole des Mines de Saint Etienne, LGPM de l'Ecole Centrale de Paris) et aux
centres de recherches des sociétés suiva ntes : ArcelorMittal, Ascometal et Aubert et Duval. Ce travail a pour finalité la simulation du
comportement inclusionnaire avec les phénomènes de flottation, d'agglomération et de sédimentation, en s'appuyant sur une dynamique de fluide
approchée au moyen d'un alliage modèle à bas point de fusion et dont les caractéristiques rhéologiques sont voisines de celles de l'acier liquide
(alliage de Wood à base de Bi). Il doit se poursuivre avec l'étude des processus de germination et de croissance en liaison avec les interactions
métal laitier et la validation finale sur poche industrielle (Ascometal).
Une comparaison de la propreté inclusionnaire entre les procédés de calmage Al et Si a été faite sur barreaux et tubes forgés en acier 100Cr6 issu de coulées
continues verticale et courbe. Les résultats de contrôle US 25 MHz sur les deux types de produits ne font pas apparaître de différences
significatives entre les niveaux de propreté du métal produit par les deux voies de calmage, même si la nature des inclusions est très différente.
Ces résultats sont confirmés par les observations métallographiques et les essais de fatigue butée. Le calmage Si, qui présente l'avantage
d'éviter la précipitation nocive de TiCN (TiO2 n'étant pas réductible par Si) est donc la solution adoptée par Vallourec dans ses trois usines
productrices de 100Cr6.
Le problème de la propreté inclusionnaire des alliages de titane a été abordé par Timet au moyen de cas concrets de rupture de pièces de
réacteurs par fatigue ayant conduit à des accidents spectaculaires. Ces cas concrets ont déclenché une opération JETQC (Jet Engine Titanium
Quality Committee) qui a permis de réduire par 10 la quantité d'inclusions en une décennie (1990-2000). Les inclusions nocives dans les alliages
de titane sont de deux types, les unes sont dures et anguleuses (essentiellement des nitrures), les autres ont une forte densité (W, Mo).
Ces dernières sont issues de la filière recyclage qui peut représenter jusqu'à 70% du tonnage produit. L'élaboration se fait sous vide, par
fusion à l'arc, torche plasma et/ou faisceau d'électrons. Cette dernière technique souvent utilisée en complément de la fusion à l'arc permet
de réduire sensiblement la quantité d'inclusions en éliminant sur lit de fusion par densité les inclusions les plus lourdes et par fragmentation
les inclusions les plus dures.
L'influence des inclusions sur les différents mécanismes de corrosion aqueuse et de fissuration a été abordée au moyen de nombreux exemples empruntés
à différents domaines de l'industrie (chimie, production d'énergie, biomédical..). Les espèces soufrées sont dans l'ensemble très nocives,
aussi bien pour la corrosion atmosphérique que pour la corrosion localisée ou la corrosion sous contrainte. Elles constituent un facteur du
premier ordre pour la corrosion localisée en contribuant par dissolution sélective à l'acidification du milieu environnant. Les inclusions
plus nobles que la matrice contribuent par effet galvanique à une dissolution du métal environnant, puis à la formation de crevasses par
a cidification du milieu confiné. Une bonne maîtrise du décapage et de la passivation permet de réduire dans le cas des aciers inoxydables
l'influence néfaste des espèces soufrées par dissolution des inclusions les plus superficielles.
Des indications récentes sur le comportement des aciers au C-Mn en milieu aqueux contenant H2S ont été fournies par Industeel.
L'amorçage des fissures se fait sur les inclusions de sulfures et d'oxydes, ainsi que sur les interfaces ferrite perlite,
les veines ségrégées avec alignements de MnS sont extrêmement défavorables ; le phosphore entraîne une augmentation de la
vitesse de propagation des fissures. Les conditions optimales pour l'emploi de ces aciers en milieu gaz acide sont les suivantes :
structure trempée revenue avec P<0,008%, S<20 ppm et O<15 ppm, C équivalent compris entre 0,38 et 0,45, pas de microalliage avec V ou Nb pour
des problèmes de soudabilité.
Les méthodes de détection et de caractérisation des inclusions ont été décrites par Vallourec pour l'application à l'industrie du tube sans
soudure. Les micro inclusions de taille inférieure à 10 µm sont identifiées par analyse d'image et regroupées selon les règles de l'ASTM E45D.
Les meso inclusions de taille comprise entre 10 et 100 µm sont évaluées soit par analyse d'image avec établissement d'une distribution en taille,
soit par US 80 MHz en collaboration avec le centre de recherches d'Ascometal. Les macro inclusions de taille supérieure à 100 µm sont évaluées
par contrôle US 25 et 15 MHz. Ces dernières sont réparties d'une manière homogène dans les produits issus de coulée continue verticale, et
plutôt en intrados dans les produits issus de coulée continue courbe.
La contribution de l'essai de fatigue gigacyclique à l'évaluation de la propreté inclusionnaire des aciers à roulement a été abordée par A2MI.
Cet essai réalisé en traction compression par ondes acoustiques 20 MHz amplifiées au moyen d'une sonotrode permet de réaliser 109 cycles en 14 h.
La maîtrise de l'échauffement naturel du corps de l'éprouvette a permis de montrer que les seules inclusions de taille mesoscopique sont
responsables des phénomènes de rupture par fatigue. L'analyse sur 7 coulées a permis de montrer une bonne corrélation entre les résultats
d'essais de fatigue et la distribution en taille des inclusions. A noter enfin autour des inclusions ayant servi d'amorce à la rupture la
présence d'une zone plus sombre dont l'origine pourrait être attribuée à une diffusion de l'hydrogène initialement piégé dans les dislocations
ou à une concentration de contraintes résiduelles.
23 juin 2009, Cité des Entreprises à Lyon : 9ème Journée : INNOVEZ DANS LE
BIOMEDICAL
Cette neuvième journée centrée sur la maîtrise des risques et l’apport de « briques technologiques » pour faciliter l’innovation a rassemblé
dans la cité des Entreprises de Lyon environ 75 personnes avec une forte majorité régionale composée de 70% de représentants de sociétés
associées au domaine biomédical, de 27% de représentants des centres techniques et des organismes institutionnels, et seulement de 3% de
représentants du monde médical. Ces proportions n’ont pratiquement pas évolué par rapport aux précédentes journées.
La première séance de travail a été consacrée à l’analyse des méthodes utilisées pour maîtriser les risques dans le domaine médical.
En effet, 17% des projets d’innovation arrivent à terme, avec de nombreux obstacles : financiers, techniques, manque de communication.
L’innovation de rupture doit associer créativité et maîtrise des risques par établissement de matrices objectifs-ressources, matrices de
créativité pour accroître la résilience, c’est à dire la possibilité d’aboutir malgré de nombreux obstacles. La gestion des risques est
une impérieuse nécessité pour les dispositifs médicaux, elle a fait l’objet d’une norme avec une première version en 2001, révisée en 2003
et finalisée en 2007 sou la dénomination ISO 14971. Il s’agit d’une méthode pragmatique de balance entre le pragmatisme et le risque analogue
à la démarche qualité bien implantée maintenant dans le domaine industriel. La gestion des risques a fait par ailleurs l’objet d’un groupe de
travail piloté par le SNITEM pour l’établissement d’un guide d’application de la norme ISO 14971, approche méthodologique identique à celle
mise en œuvre dans l’aéronautique ou l’industrie automobile. Le guide a été réalisé sous la forme d’un logiciel d’aide qui peut être consulté
sur le site du CETIM. Sur le plan juridique, la responsabilité civile et pénale du producteur est engagée pour la sortie de tout nouveau produit
et la meilleure façon d’éviter tout frein à l’innovation est d’associer un juriste à la conception du produit pour évaluer les éléments
essentiels de responsabilité et leurs liens de causalité avec les dommages éventuels. Le rôle du juriste ne doit pas être que curatif.
Le rôle du sous traitant est également important dans la sortie d’un nouveau produit, il doit connaître parfaitement les marchés des clients,
maîtriser les exigences et les réglementations, savoir limiter la course au chiffre d’affaires et mutualiser les domaines d’expertise, ainsi
que les réglementations.
La deuxième séance de travail a été consacrée à deux exemples de « briques technologiques » pour construire l’avenir, la miniaturisation
et l’approche process-produit. La miniaturisation doit être faite au bon moment et pour les bonnes raisons, elle nécessite des compétences
multidisciplinaires associant les sciences techniques aux sciences du vivant. L’appel du marché dans le domaine médical (être moins invasif)
et le développement des nanotechnologies dans les matériaux ont été les moteurs de cette miniaturisation qui va des microcapteurs aux
microengrenages et aux systèmes d’éjection de microgouttes. La démarche CLINATEC associant les compétences du CEA, de l’INSERM, du CHU de
Grenoble et de l’université de Grenoble a été présentée. Sa finalité est l’utilisation de la nanomédecine pour le diagnostic des maladies
cérébrales. Son objectif est la réunion des compétences en microélectronique et neurologie dans un même bâtiment sur le site de MINATEC.
Un premier exemple de l’approche process-produit est l’utilisation du design et plusieurs cas d’application ont été montrés dans la
distribution des produits (oxygénothérapie à domicile), les équipements (gaz vasodilatateur dans un ensemble hospitalier) et le packaging
(nouveaux conteneurs de gaz développés en collaboration avec l’Air Liquide). Un deuxième exemple d’approche process-produit a été donné avec
le MIM (Moulage par Injection de Matière) pour la réalisation de brackets dentaires en céramique, de pièces d’endoscope ou même de pièces
implantables comme des cathéters. Cette technique est intéressante pour de petites pièces de forme complexe, elle se développe fortement en
Allemagne, aux USA et au Japon ; le facteur coût a été déterminant pour réduire son développement en France. Un troisième exemple d’approche
process-produit a été donné avec les traitements destinés à améliorer la biointégration des implants, aussi bien par la voie chimique classique
avec le procédé Graftfast développé par le CEA (qui a donné lieu à la mise en place d’une start up) que par la voie gazeuse avec le développement
des plasmas atmosphériques, pour le nettoyage et l’activation des surfaces, ainsi que pour la réalisation de revêtements dans le deuxième cas
avec des plasmas réactifs sur tous types de substrats.
18 novembre 2009 à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne :
PROBLEMATIQUES MATERIAUX POUR LE TRANSPORT ET
LE STOCKAGE DE L'HYDROGENE
organisée par le CEM et l'ARDI - Maîtrise des Matériaux et avec le soutien de
Cette journée thématique sur les matériaux pour le transport et le stockage de l’hydrogène a rassemblé 70 personnes dont 46%
d’industriels, 32% de représentants de centres techniques et de l’université, le reste étant constitué par des institutionnels.
Trois domaines ont été abordés :
- la mise en place de la plate forme hydrogène et les enjeux d’une production d’hydrogène massive respectueuse de l’environnement,
- le stockage de l’hydrogène sous forme gazeuse et le comportement des matériaux métalliques (typiquement les aciers) ainsi que des
composites en présence d’hydrogène sous pression,
- le stockage d’hydrogène sous forme solide avec les hydrures.
Deux communications ont permis d’introduire les raisons de la filière hydrogène. La plate forme hydrogène HyPac mise en place par l’ADEME avec
l’Association Française de l’Hydrogène (AFH2) est une structure ouverte à tous les acteurs (actuellement une cinquantaine) dans le but d’accélérer
le développement de la filière hydrogène et des piles à combustible. Il est en effet nécessaire de produire de l’ hydrogène « propre » en
quantité massive (actuellement la production d’ une tonne d’hydrogène rejette dix tonnes de CO2) en substituant aux procédés conventionnels
des procédés assistés par le nucléaire dans les domaines de l’électrolyse et de la pétrochimie. Des équipements d’électrolyse alcaline à basse
température de 3MW fonctionnent dès aujourd’hui avec une montée en puissance dans le futur proche. On peut envisager à l’horizon 2015/2020 une
raffinerie tout électrique, mais deux défis doivent être surmontés pour assurer une production massive, l’électrolyse haute température et le
choix du réacteur correspondant dans la proposition de nouvelles générations. Cette nouvelle voie de production d’hydrogène deviendra
économiquement viable dès lors que le prix du pétrole se stabilisera durablement à un prix élevé (>130 US$ le baril)
Le stockage de l’hydrogène gazeux dans des conteneurs en acier a fait l’objet de cinq communications toutes centrées sur les problèmes de fragilisation et
de mise en place d’essais de simulation destinés à reproduire les processus d’endommagement. Il a été montré qu’en présence d’hydrogène gazeux
la sensibilité des aciers est moindre que dans des environnements aqueux (type H2S par exemple), de tel sorte qu’il apparaît possible d’utiliser
des aciers trempés revenus à haute limite d’élasticité. La mise en évidence de la fragilisation par l’hydrogène gazeux nécessite des essais sous
sollicitations dynamiques : essais de traction lente, essais de rupture de disque, essais de mécanique de la rupture. S’agissant des mécanismes
avancés pour expliquer la fragilisation des aciers, ce sont ceux qui font appel aux interactions hydrogène plasticité qui semblent les plus
pertinents. Il apparaît clairement que l’hydrogène est piégé par les défauts tels que les inclusions et les discontinuités microstructurales
et qu’il y a des promoteurs d’entrée tels que les résiduels S, Se, As, les contraintes internes de soudage ou de mise en forme. Les analyses
thermiques montrent qu’il y a un pic de désorption à 250°C. Les essais de rupture de disques sous pressions respectives d’hélium et d’hydrogène
développés par le CEA sont maintenant normalisés (ISO 11114-4) et ont permis d’étudier l’incidence des impuretés sur la nocivité de l’hydrogène.
C’est ainsi que l’élément H2S est nocif dès la centaine de ppm alors que c’est l’inverse pour le résiduel O2. H2 a une faible solubilité et une
forte diffusivité dans les aciers de structure ferritique, comme les aciers au carbone ou au chrome molybdène couramment utilisés, alors que c’est
l’inverse dans les aciers de structure austénitique comme les aciers inoxydables, mais il existe dans ces derniers un danger vers –100°C en
raison des transformations martensitiques induites par l’abaissement de température. Pour les aciers au carbone, la structure optimale est une
martensite homogène revenue, de niveau de résistance inférieur ou égal à 1100 MPa.
Le stockage de l’hydrogène gazeux dans des conteneurs en composite a fait l’objet de deux communications. On assiste au développement des réservoirs sous pression
de 700 bars de type IV avec liner polymère obtenu en une seule opération par rotomoulage et extrusion. Il y a une bonne maîtrise de la
perméabilité de l’hydrogène dans ces matériaux, malgré la différence de comportement par rapport à l’acier (perméabilité multipliée par 105
et diffusion multipliée par 103). La diffusion de l’hydrogène dans les polymères se fait en effet sous forme moléculaire (et non atomique)
entre les chaînes macromoléculaires. Les composites les plus intéressants pour assurer la tenue mécanique des réservoirs sont constitués de
résine époxy renforcée par des fibres de carbone de 5 à 7 µm de diamètre. La séquence d’empilement par enroulement filamentaire est optimisée
suivant la forme du réservoir entre les états circonférenciel, polaire et hélicoïdal.
Le stockage de l’hydrogène sous forme solide par les hydrures a fait l’objet de quatre communications. L’hydrure de magnésium MgH2 est un bon
candidat pour le stockage car il est abondant, bon marché, avec une densité gravimétrique élevée (7,6%), mais il nécessite des températures
d’absorption / désorption de l’ordre de 300°C. La nanostructuration par mécanosynthèse avec des additifs spécifiques (Cr-Ti-V) a permis
d’améliorer les cinétiques de réaction. Le mélange de ces poudres avec du graphite naturel expansé a permis d’obtenir un composite manipulable
à l’air et de bonne conductivité thermique radiale. La conservation et la gestion de l’énergie thermique liée aux réactions d’hydruration et
de déshydruration (30% du PCI de l’hydrogène) sont assurées par l’addition d’un matériau à changement de phase qui restitue l’énergie lors de
la déshydruration. Le savoir faire a été transféré au niveau industriel à MacPhy Energy avec un démarrage prévu pour janvier 2010.
Les hydrures font également l’objet de travaux dans l’optique de développer des réactions d’hydruration et de déshydruration dans le domaine
20-80°C. Les travaux sont relatifs aux alliages de structure cubique centrée Ti-V-Cr Ti-V-Mn de capacité massique 2,5% dont la réactivité
est améliorée par l’ajout de phases activantes Zr-Ni. D’autres matériaux à base d’éléments légers dans le système Mg-Ca-Ni sont également
à l’étude avec une alternative au point de vue fabrication industrielle à la mécanosynthèse, la fusion par induction. Il y a un développement
potentiel de ces matériaux dans une chaîne hydrogène sur engins lourds, sous marins, ainsi que dans l’industrie automobile et la valorisation
des énergies renouvelables.
