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MAGAZINE

NICKEL

L A REVUE SPÉCIALISÉE DU NICKEL ET DE SES APPLIC ATIONS NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020

Aux extrêmes, le nickel élargit le champ du possible Garder prise même aux très basses températures

Une solution pour accroître l’autonomie des véhicules électriques

Les alliages de nickel face aux extrêmes de la conquête spatiale

La passerelle de Tintagel a été conçue par les cabinets Ney & Partners (architectes principaux et ingénierie des structures) et William Matthews Associates (co-architectes). La maîtrise d’œuvre a été confiée à Underhill Engineering pour la structure métallique et à American Bridge pour l’ensemble du chantier. Le Steel Construction Institute (SCI) et Arup Materials ont étudié la corrosivité du site et apporté leurs conseils pour la sélection des matériaux.

MILLSTOCK STAINLESS

DAVID-LEVENE POUR WILLIAM MATTHEWS ASSOCIATES

ÉTUDE DE CAS 20 LA PASSERELLE DE TINTAGEL Les ruines du château de Tintagel, en Cornouailles (Royaume-Uni), sont depuis longtemps associées à la légende du roi Arthur et des chevaliers de la Table ronde. Certaines se situent sur un promontoire séparé du reste par une étroite gorge bordée d’à-pics rocheux. Pour la traverser, il fallait jusqu’à récemment descendre le premier à-pic par un sentier escarpé, traverser une courte passerelle, puis gravir l’autre versant par un sentier similaire. Désormais, une nouvelle passerelle inaugurée en 2019 enjambe la gorge plus en hauteur. Elle se compose de deux sections en porte-à-faux se rejoignant bien au-dessus de la gorge. En raison de l’étroitesse des sentiers conduisant au site et des limites des équipements de levage, on a opté pour une charpente légère en acier. Pour chaque section en porte-à-faux, six éléments préfabriqués faciles à manœuvrer ont été assemblés sur place. Comme il convenait de garantir la durabilité de la passerelle face au milieu maritime et de lui conférer une grande résistance et un aspect étincelant, Les profilés en T en acier duplex ont été fournis par Millstock Stainless et fabriqués sur mesure par Montanstahl, une entreprise suisse.

NICKEL, VOL. VOL. 35, 35, Nº Nº 3. 3. 2020 2020 22 || NICKEL,

certains éléments importants ont été fabriqués à partir de 20 tonnes d’acier inoxydable duplex 2205 (UNS S32205). Ce matériau constitue les diagonales

reliant les membrures supérieures et inférieures, les traverses, le contreventement du tablier et les garde-fous, ainsi que les deux tiges d’alignement du tablier (de 50 mm de diamètre sur 430 mm de long), les blocs usinés raccordant les sections en porte-à-faux, les barres polies (de 30 mm à 65 mm de diamètre) reliant les membrures supérieures et inférieures, les supports des carreaux d’ardoise du tablier et les éléments polis de la balustrade. La structure intègre par ailleurs quelque 2,7 t de profilés en T à ailes inégales fabriqués sur mesure par soudage laser hybride (272 barres de 70 mm sur 60 mm). Cette élégante passerelle de 66 m de long sur 2,4 m de large facilite grandement l’accès aux visiteurs venant chaque année découvrir ce berceau présumé de la légende arthurienne.

ÉDITORIAL LE NICKEL AUX EXTRÊMES

Nous venons de vivre une année caractérisée par les extrêmes. D’une façon ou d’une autre, nous avons presque tous dû nous montrer à la hauteur. Les situations extrêmes, au plus loin de notre normalité, ne nous sont désormais plus du tout étrangères. Et dans ces conditions, tout ne fait pas également le poids…

adjectif 1. (Souvent avant le nom) Qui est tout à fait au bout, qui termine (un espace, une durée). L’extrême limite. À l’extrême pointe tout au bout. L’Extrême-Orient la partie la plus lointaine de l’Asie 2. (Avant ou après le nom) littéraire Qui est au plus haut point ou à un très haut degré. Joie extrême. Similar:

grand

intense

extraordinaire

3. (Après le nom) Qui est le plus éloigné de la moyenne, du juste milieu. Similar:

excessif

immodéré

Un climat extrême très chaud ou très froid. Situations extrêmes

Il en va de même dans les domaines techniques. Alors que nous réalisons nos objectifs en apportant des solutions qui répondent aux besoins et aux attentes croissantes de nos semblables, que nous visons la conquête des extrêmes, que nous explorons de nouvelles possibilités, et que nous faisons tout cela sur fond de développement durable, de prolongement de la vie et de réduction des coûts, le nickel nous accompagne constamment.

Le présent numéro de Nickel se penche sur quelques-uns des impératifs auxquels doivent satisfaire les matériaux et sur les réponses qu’apporte l’emploi du nickel, qu’il s’agisse de résister aux températures extrêmes des réactions chimiques et des centrales énergétiques ou de durer face aux conditions extrêmes des régions polaires ou maritimes. Le nickel contribue à repousser les limites de capacité et de durée de vie utile des accumulateurs et ouvre la perspective de la « batterie d’un million de miles » (1,6 million de kilomètres) pour la prochaine génération de véhicules électriques. Et les alliages de nickel interviennent aux extrêmes de la conquête spatiale. La vie sur Mars ne sera possible qu’avec les matériaux au nickel supportant les basses températures qui règnent sur cette planète. De façon plus terre à terre, le Nickel Institute a notamment pour vocation d’aider ingénieurs et autres spécialistes à prescrire des matériaux au nickel avec confiance. À cette fin, nous actualisons sans cesse notre vaste bibliothèque de documents techniques en libre accès. Notre toute dernière publication porte sur les systèmes de refroidissement par eau de mer (voir page 15).

extrême

La station de recherche Princesse Élisabeth résiste aux conditions extrêmes de l’Antarctique avec sa façade en acier inoxydable au nickel de nuance 304 L, choisi pour la résistance et la ténacité qu’il affiche même bien en dessous de -60 °C.

Quelles que soient les grandes incertitudes des années à venir, il est certain que le nickel aidera à surmonter de manière judicieuse et déterminante bon nombre d’obstacles actuels, le tout sans poser de problèmes de sécurité ou d’environnement. Clare Richardson Rédactrice en chef

NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020 | 3

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Étude de cas 20 La passerelle de Tintagel Éditorial Le nickel aux extrêmes En bref

NICKEL

Batterie d’un million de miles Les cathodes monocristallines au nickel Très basses températures Garder prise avec l’acier inoxydable Fours industriels Le nickel fait le poids Aux extrêmes Nickel et conquête spatiale Avis d’experts Aiguilles hypodermiques et allergie au nickel Steve Barnett 1954-2020 Nouvelle publication Systèmes de refroidissement par eau de mer Codes UNS Conservation du patrimoine La tour d’incendie de Harlem remise à neuf

Un son envoûtant Le facteur de gongs britannique Philip James (Turiya Sounds) utilise le maillechort (un alliage de cuivre, zinc et nickel) pour tous les instruments de sa création. « Le son d’un gong ne ressemble vraiment à rien d’autre », explique-t-il. « Il aide à atteindre un état de conscience profondément méditatif et transcendant ». Le maillechort, matériau idéal pour la facture des gongs, possède des capacités de résonance inégalées. « La première fois que j’ai entendu un gong, ça m’a transporté en un lieu vraiment magique », témoigne Philip James. « Depuis, ils ne cessent de me fasciner ». L’entreprise britannique Columbia Metals lui fournit des feuilles de NS104 (UNS C75700) de 0,8 mm à 1,6 mm d’épaisseur qui contiennent 12 % de nickel et offrent une résistance à la corrosion et au ternissement bien supérieure à celle des alliages de cuivre ordinaires. « Pour la facture des gongs, rien ne vaut vraiment le maillechort », estime Philip James. « Il est extraordinaire ».

PHILIP JAMES

E N B R E F

SOMMAIRE

La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org

communications@nickelinstitute.org Collaborateurs : Parvin Adeli, Gary Coates, Catherine Houska, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Ken Rudisuela, Frank Smith, Benoît Van Hecke, Odette Ziezold Conception : Constructive Communications Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y fier pour des applications particulières sans avoir obtenu au préalable les conseils de spécialistes compétents. Bien que les informations données soient considérées comme techniquement exactes, le Nickel Institute, ses membres, son personnel et ses consultants ne garantissent pas leur adéquation à quelque usage particulier ou général que ce soit et déclinent toute responsabilité à leur égard. ISSN 0829-8351 Imprimé au Canada, sur papier recyclé, par Hayes Print Group Couverture : © International Polar Foundation - René Robert Photos de banques d’images : iStock©Jae Young Ju (page 6)

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MONNAIE ROYALE CANADIENNE

Président : Hudson Bates Rédactrice en chef : Clare Richardson

Un magnétisme végétal productif

CWTEC

UNIVERSITÉ NATIONALE DE SINGAPOUR

ANTONY VAN DER ENT

Une couleur bleu-vert fluorescente témoigne de la teneur en nickel (pouvant atteindre 25 %) de la sève de certaines plantes rares préférant les sols riches en métaux et pourvues de racines qui les attirent comme un aimant. À ce jour, on a découvert de par le monde environ 700 de ces hyperaccumulatrices, et des études de terrain se sont penchées sur leur capacité à prospérer dans les sols riches en métaux. Ces plantes se prêtent bien à un phytominage consistant à récolter et à traiter leur sève pour en extraire du nickel pur, ou encore des produits chimiques utilisables par exemple en galvanoplastie. Alors que l’exploitation minière traditionnelle est beaucoup plus rentable pour les gisements à forte teneur en métaux, le phytominage peut occuper le créneau des gisements de surface moins riches caractérisant les sols ultramafiques de certaines régions tropicales, par exemple à Cuba, en Nouvelle-Calédonie, en Australie et en Malaisie. À l’issue du phytominage, le sol s’avère nettement plus fertile et se prête aux cultures vivrières.

Haut les masques Surcyclage des feuilles d’ananas Voilà une idée neuve qui transformera des tonnes de déchets d’ananas en un aérogel ultraléger, polyvalent et peu coûteux. Des chercheurs de l’Université nationale de Singapour ont découvert un moyen d’utiliser des fibres de feuilles d’ananas enduites de diéthylènetriamine (DETA) pour produire un éco-aérogel destiné au traitement des eaux usées industrielles et capable d’en extraire quatre fois plus d’ions nickel que les méthodes habituelles. Duong Hai-Minh, le maître de conférences dirigeant l’équipe de recherche, présente le procédé en ces termes : « En raison de leur forte porosité, les éco-aérogels extraient les ions métalliques de manière très efficace, même dans les solutions diluées qui en contiennent peu. Le procédé de traitement est simple et économique et il ne produit pas de déchets secondaires. Par ailleurs, les éco-aérogels désorbent facilement les ions métalliques et se réutilisent plusieurs fois, ce qui réduit encore les coûts. Ce programme de quatre ans, qui a également mis au point plusieurs autres applications utiles, constitue un grand pas sur la voie de l’agriculture durable et de la bonne gestion des déchets. »

Un masque de protection mal ajusté a le gros défaut d’embuer les lunettes. Le nickel aide à y remédier en apportant un élément de confort invisible. L’entreprise allemande cwTec utilise une fine bande d’acier inoxydable au nickel fournie par Norder Band pour maintenir les masques bien ajustés sur le nez des soignants et autres travailleurs essentiels lorsqu’ils portent des lunettes et doivent y voir clair à tout moment. En plus d’être facile à se procurer et de ne provoquer aucune réaction allergique, la bande d’acier inoxydable peut se recycler avec les autres matériaux constituant le masque. Pas mal du tout pour à peine un gramme d’acier inoxydable au nickel.

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UNE NOUVELLE SOLUTION CRISTALLINE POUR ACCROÎTRE L’AUTONOMIE DES VÉHICULES ÉLECTRIQUES Pour les constructeurs de véhicules et les concepteurs de batteries, la peur du manque d’autonomie reste l’un des principaux obstacles à surmonter. L’équipe de recherche dirigée par Jeff Dahn, professeur au département de physique et sciences de l’atmosphère de l’Université Dalhousie, en Nouvelle-Écosse (Canada), est en train de mettre au point un matériau monocristallin qui s’avère prometteur pour résoudre cette difficulté.

Les essais en laboratoire qu’ils ont réalisés montrent comment la structure monocristalline de leurs cathodes au nickel résiste à la microfissuration dont

Quand on l’interroge sur l’origine du terme « batterie d’un million de miles », Jeff Dahn répond : « C’est juste pour ainsi dire le fruit accidentel de nos travaux. Un article que nous avons publié disait dans son résumé : “nous montrons que les batteries de ce type pourraient alimenter des véhicules sur un million de miles”. Et l’imagination des médias s’en est emparée. »

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souffrent les matériaux d’électrodes habituels. Jeff Dahn l’explique en ces termes : « Au fil des multiples cycles d’insertionextraction du lithium entre les couches cathodiques, son volume varie, et cette variation n’est pas la même dans toutes les directions. Les particules des cathodes usuelles sont généralement orientées dans des directions en quelque sorte aléatoires. Les variations à la perpendiculaire des couches cathodiques

DANNY ABRIEL (UNIVERSITÉ DALHOUSIE)

« Notre but est d’améliorer la densité d’énergie et la durée de vie des cellules lithium-ion tout en réduisant leur coût », précise Jeff Dahn, considéré comme l’un des pionniers du développement des batteries lithium-ion qui alimentent la plupart des ordinateurs portables et téléphones mobiles actuels.

sont importantes, si bien que lorsque

décennies dans les systèmes de stockage

deux particules primaires se touchent,

d’énergie en réseau ».

la disparité de volume peut provoquer

20 ans de durée de vie utile

une microfissuration de la structure. Cela

La bonne nouvelle, c’est que cela ferait

entraîne une perte de contact électrique

durer les batteries alimentant les véhi-

et par conséquent d’accès à la masse

cules électriques aussi longtemps que

active de la cathode. »

ces derniers. Qui plus est, le passage au

« Une particule monocristalline, en

monocristallin n’augmente guère le coût

revanche, est constituée d’une seule

des accumulateurs.

cristallite de deux à trois microns. Il s’agit

« Pour produire des éléments monocris-

d’un seul cristal ne comportant aucun

tallins en laboratoire, nous ne faisons

joint de grains et formant un tout qui se

qu’apporter une légère modification côté

dilate et se contracte en un seul bloc. Cela

précurseur, puis appliquer le traitement

signifie qu’il est relativement facile de

thermique à une température légèrement

maintenir un contact électrique avec les

plus élevée de manière à engendrer

particules de ce type à mesure qu’elles se

la monocristallisation. Il n’y a aucune

dilatent ou se contractent. L’emploi d’un

différence fondamentale dans le procédé

matériau monocristallin permet donc de

de synthèse. »

maintenir un contact total avec la masse

L’objectif suprême : la batterie d’un mil-

active de la cathode tout au long des

lion de miles (1,6 million de kilomètres).

cycles de charge-décharge. C’est tout à fait remarquable. »

« Tout cela montre l’intérêt de conduire des essais de très longue durée. Parmi

L’équipe de l’Université Dalhousie étudie

les cellules mises à l’honneur dans cet

différentes cathodes monocristallines

article sur la batterie d’un million de

au nickel, qui ont l’avantage de tolérer

miles, certaines sont encore à l’essai.

un cyclage important tout en offrant

J’en ai fait un bilan il y a peu de temps.

une forte densité d’énergie. Un article

Après plus de trois ans de fonctionnement

publié par Jeff Dahn et son équipe

à température ambiante, les batteries

dans le Journal of The Electrochemical

en sont à environ 9 500 cycles (ce qui

Society conclut « que les cellules de ce

dépasse largement le million de miles de

type devraient pouvoir alimenter un

conduite) avec une perte de capacité de

véhicule électrique sur plus de 1,6 million

moins de 10 %. Autant dire qu’elles sont

de kilomètres et durer au moins deux

vraiment increvables. »

Illustrations A et a : Images MEB d’un matériau monocristallin commercialisé de formule Li[Ni0,5 Mn0,3 Co0,2]O2 (NMC532, appelé SC-532), qui présente une forte taille de grain (environ 3 μm)1. Illustrations B et b : Images MEB d’un matériau polycristallin nu commercialisé (NMC532, appelé UC-532)1. Li, J., Cameron, A. R., Li, H., Glazier, S., Xiong, D., Chatzidakis, M., Allen, J., Botton, G. A. et Dahn, J. R. (2017). « Comparison of Single Crystal and Polycrystalline LiNi0.5Mn0.3Co 0.2O2 Positive Electrode Materials for High Voltage Li-Ion Cells ». Journal of The Electrochemical Society, vol. 164, nº 7, A1534. 1.

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©ROLAND MOURON

LA VALEUR SAISISSANTE DU NICKEL AUX TRÈS BASSES TEMPÉRATURES

Plus le milieu devient froid, voire glacial, moins on a prise sur ce qui s’y passe. Rien ni personne n’échappe à cette pente glissante. Pourtant, quand le thermomètre chute dangereusement vers le zéro absolu, les équipements techniques tiennent bon, en grande partie grâce au nickel, et c’est à se demander comment il rend cela possible. Intérieur de la citerne en acier inoxydable d’un méthanier de type Mark III, conçu par GTT.

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Des matériaux pour les très basses températures Les aciers inoxydables austénitiques (contenant le plus souvent 7 % à 25 % de nickel) offrent une excellente ténacité aux très basses températures, dites cryogéniques. La ténacité d’un matériau est sa capacité à absorber de l’énergie

sans se rompre, propriété essentielle dans nombre d’applications techniques. Les aciers de construction offrent une bonne ténacité à température ambiante, mais à mesure que le thermomètre chute, leur structure ferritique devient de plus en plus cassante, ce qui les rend inutilisables dans les applications

ténacité accrue du métal de base choisi pour les applications arctiques. Une soudure de moindre ténacité entraînerait une fracture, quelle que soit la qualité du métal de base.

Une seconde famille de matériaux affichant de bonnes propriétés cryogéniques est celle des aciers alliés au nickel. L’ajout de 1,50 à 9,00 % de nickel à une matrice d’acier, conjugué au traitement thermique approprié, confère à l’ensemble la ténacité et la résistance requises pour les températures allant de -60 °C à -200 °C. Cependant, ces aciers ne contenant pas de chrome, ils ne sont pas inoxydables par nature.

La station Princesse Élisabeth, un laboratoire de recherche scientifique belge construit en Antarctique en 2008, offre un autre exemple d’infrastructure polaire. Sa façade est constituée de panneaux d’acier inoxydable austénitique 304L (UNS S30403) de 1,50 mm d’épaisseur. Ce matériau a été choisi parce qu’il conserve une résistance et une ténacité suffisantes même bien en dessous de -60 °C.

Emploi dans les régions polaires L’étude et l’exploitation des régions polaires ne sont pas une mince affaire, notamment lorsqu’il s’agit de recruter du personnel, de souder des métaux ou de transporter des biens. La température y est de loin le premier facteur à prendre en compte dans le choix des aciers à utiliser. Il n’est pas rare qu’elle passe en dessous de -50 °C, et donc du seuil de transition ductile-fragile de la plupart des aciers de construction au carbone-manganèse employés dans l’exploitation des gisements pétrolifères de l’Arctique. Les autres facteurs déterminant le choix des matériaux utilisés dans l’Arctique par l’industrie pétrogazière sont la résistance à la corrosion et la soudabilité. Le premier n’est pas aussi important pour les matériaux de construction que pour la production et le transport des produits pétroliers et gaziers corrosifs. Il est important que les soudures conservent la

Gaz naturel liquéfié (GNL) Face à une demande énergétique en constante augmentation et à des besoins en transport et stockage d’énergie de plus en plus importants, le GNL est intéressant en raison de sa haute densité énergétique. Une fois liquéfié, il occupe un volume près de 600 fois plus faible que celui qu’il avait à l’état gazeux dans un gazoduc. Sa liquéfaction permet de le transporter au-delà des terminaux de gazoduc et même de l’utiliser comme carburant. Rien de cela ne serait possible sans le nickel, car le gaz naturel ne se liquéfie qu’en dessous de -163 °C. Comme indiqué plus haut, avec de si basses températures, ce sont les aciers inoxydables austénitiques et les aciers alliés au nickel qui conviennent le mieux à la construction des cuves de stockage, des citernes de transport et des équipements de transfert et de traitement du gaz naturel liquéfié.

cryogéniques. En revanche, les aciers inoxydables austénitiques communs, qui contiennent du nickel, conservent une bonne ténacité même aux températures de l’hélium liquide.

La station polaire Princesse Élisabeth. La façade est constituée de panneaux d’acier inoxydable 304L (S30403) de 1,50 mm d’épaisseur.

Navires-citernes Les navires-citernes transportant le GNL,

TWI – GENE MATHERS

TEMPÉRATURE MINIMALE DE SERVICE -273 °C

-196 °C

-130 °C

-101 °C

-60 °C

Nuance spécifiée

ASTM 304L EN 10088-1

ASTM A353/ A553 EN 10028-4

Type d’acier

Inoxydable austénitique

Types de produits stockés

Azote, hydrogène, hélium

-60 °C

ASTM A645 EN10028-4

ASTM A203GrE EN 10028-4

ASTM A203GrB

EN10028-4

Acier à 9 % de nickel

Acier à 5 % de nickel

Acier à 3,5 % de nickel

Acier à 2,5 % de nickel

Acier à 1,5 % de nickel

GNL, oxygène, argon

Éthylène (liquéfié)

Dioxyde de carbone, acétylène, éthane

Ammoniac, propane, disulfure de carbone

Dans l’industrie pétrogazière, les températures de service, la résistance à la corrosion et la soudabilité sont les facteurs déterminant le choix des matériaux à usage polaire.

Teneur en nickel croissante Température de stockage décroissante NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020 | 9

appelés méthaniers, naviguent surtout

industriel de l’ammoniac pour la fabri-

du Qatar et de l’Australie vers les régions

cation d’engrais. Il pourrait aussi aider à

à forte demande d’énergie telles que le

décarboner le bouquet énergétique, car

Japon, la Chine et la Corée du Sud. Les

sa combustion produit seulement de

méthaniers modernes utilisent au mieux

l’eau et pas de gaz carbonique, mais il

le volume de la coque en enveloppant le

s’agit de pouvoir en produire assez, de

gaz liquéfié dans une double membrane

préférence à partir d’énergie solaire ou

métallique complétée par un système

éolienne. La sidérurgie de l’acier consom-

d’isolation. Les membranes sont soit

mant beaucoup d’énergie, plusieurs

en feuille d’acier inoxydable 304 L de

producteurs cherchent déjà à réduire leur

faible épaisseur gaufrée (pour absorber

empreinte carbone en utilisant davantage

l’expansion et la contraction thermiques),

d’hydrogène.

soit en feuille plate d’un alliage de fer contenant 36 % de nickel (K93600) et offrant un faible coefficient d’expansion thermique.

Coupe du réacteur thermonucléaire expérimental international ITER, situé dans le Midi de la France, équipé d’un système de refroidissement à hélium liquide abaissant la température jusqu’à 4,5 kelvins.

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Sans gaz liquéfié, il n’y aurait pas d’exploration spatiale. L’hydrogène constitue un combustible à la fois léger et très puissant. Combiné à un comburant

Autres gaz liquéfiés

tel que l’oxygène liquide, l’hydrogène

D’autres produits sont encore plus froids

liquide s’avère le plus performant de tous

que les -163 °C du GNL :

les propergols.

• -183 °C pour l’oxygène liquide ;

Pour finir, qu’est-ce qui pourrait bien

• -196 °C pour l’azote liquide ;

refroidir un électro-aimant supraconduc-

• -253 °C pour l’hydrogène liquide ;

teur pour maintenir le gaz environnant à

• -269 °C pour l’hélium liquide.

l’état de plasma ? La réponse est simple :

Plusieurs industries utilisent ces produits

l’hélium liquide. À -269 °C (soit 4 kelvins),

sous forme regazéifiée. L’hydrogène

c’est là que le nickel dévoile tout son

s’emploie souvent comme précurseur

potentiel…

LE NICKEL À L’ÉPREUVE DES FOURS INDUSTRIELS

MCDERMOTT

Les tubes de reformeurs servent à produire de l’hydrogène à partir de vapeur d’eau et d’hydrocarbures. Composés d’alliages de nickel moulés, ils s’utilisent entre 800 °C et 1 000 °C pendant des centaines de milliers d’heures en milieu carburant.

La chaleur accélère la plupart des réactions chimiques et améliore le rendement des ROLLED ALLOYS

centrales énergétiques. Mais les matériaux sont-ils à la hauteur ? En pratique, leur résistance thermique et chimique détermine la température maximum de nombreux procédés. Et le nickel peut venir la renforcer. Un matériau choisi pour servir à haute

de ces phases, et les alliages Ni-Cr-Fe

température doit satisfaire quatre impéra-

contenant au moins 33 % de nickel en

tifs primordiaux : résistance, stabilité dans

sont préservés.

facilité de fabrication des éléments. À mesure que la température augmente, les métaux faiblissent. Beaucoup d’aciers résistent mieux aux températures modérément élevées que les aciers inoxydables de la série 300. À 540 °C, les aciers inoxydables surclassent la plupart des autres. Et au-delà de 650 °C, les alliages contenant du nickel excellent. Mais au-dessus de 540 °C, la résistance au fluage et la résistance à la rupture en fluage deviennent les propriétés les plus importantes. Au fil du temps, les hautes températures

Aux très hautes températures, le métal peut réagir avec son environnement. Dans l’air, il s’oxyde. L’ajout de chrome et d’aluminium apporte une protection supplémentaire à l’alliage. Dans les milieux contenant du monoxyde de carbone, par exemple, c’est l’ajout de nickel et de

©WIRCO_GOODRODFRAMBASKET

la durée, faible réactivité avec le milieu et

Les tubes radiants chauffent les fours par rayonnement. Leur température peut atteindre 1 150 °C, alors que les différents alliages de nickel utilisés dans leur fabrication peuvent tolérer 1 200 °C.

silicium qui réduit la carburation. Les environnements les plus rigoureux, où peut se produire une carburation rapide (appelée carburation pulvérisante), donnent lieu actuellement à la mise au point et à l’essai de nouveaux alliages, qui sont tous riches en nickel.

peuvent altérer la structure du métal. Le

Enfin, la fabrication des équipements

plus grave se produit lorsqu’il se forme

nécessite des opérations de mise en

des phases cassantes dans le métal,

forme et de soudage, auxquelles les aciers

qui peut alors devenir aussi fragile que

inoxydables au nickel et les alliages de

le verre. Le nickel ralentit la formation

nickel se prêtent admirablement.

Les pièces mises au four sont disposées dans des paniers de traitement thermique composés d’un alliage au nickel dont le choix varie selon que l’atmosphère est oxydante ou réductrice. Ils sont généralement mis à rude épreuve.

NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020 | 11

DES ALLIAGES AU NICKEL POUR REPOUSSER LES EXTRÊMES DE LA CONQUÊTE SPATIALE

NASA.GOV

L’année 2020 a ouvert une nouvelle décennie d’innovation pour l’exploration spatiale, où les alliages au nickel jouent un rôle important dans la construction des lanceurs, des roues d’astromobiles et des catalyseurs, pour ne citer que ces utilisations. Pendant ce temps, la NASA étudie d’autres utilisations possibles des matériaux au nickel pour les roues de ses astromobiles. Comme les roues en caoutchouc sont inadaptées au sol lunaire ou martien, les roues du véhicule lunaire original du programme Apollo étaient en acier à ressort. Cependant, sous le poids plus élevé des véhicules destinés à l’exploration de Mars, les roues de ce type se déforment. Pour y remédier, la NASA met actuellement au point des roues en maillage de nitinol (UNS N01555), un alliage à mémoire de forme composé de nickel et de titane,

NASA.GOV

Des ingénieurs de la NASA installent la toute dernière version de leur roue en alliage à mémoire de forme sur un banc d’essai. Cette version pèse environ 7 kg, supporte deux fois plus de charge que la précédente et se comporte mieux aux températures caractérisant l’espace lointain.

SpaceX, l’entreprise américaine qui se voue à la réalisation d’engins spatiaux réutilisables, a construit ses lanceurs Starship et Super Heavy à partir d’une version de l’acier inoxydable au nickel de nuance 304 (S30400). Ce choix est dû notamment au fait que l’acier inoxydable est plus économique que la fibre de carbone, dont le coût au kilogramme est plus de soixante fois supérieur. Il est aussi beaucoup plus résistant à la chaleur que celle-ci et que d’autres métaux comme l’aluminium, si bien qu’il nécessite nettement moins (voire pas du tout) de protection thermique supplémentaire.

12 | NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020

dont la capacité de déformation réver-

ces propriétés, l’alliage 718 est plus

sible est 30 fois supérieure à celle des

difficile à usiner et à mettre en forme que

roues en aciers à ressort.

d’autres matériaux. De plus, il se prête

habités vers Mars, le lanceur Starship de SpaceX, équipé de moteurs-fusées Raptor, est l’un des premiers à être propulsés par du méthane liquide et de

mal au moulage à la cire perdue, en posant des problèmes de porosité, de ségrégation et de grosseur de grain excessive qui imposent des étapes de traitement ultérieures.

l’oxygène liquide et à être conçu pour

Face à ces écueils, l’impression 3D

1 000 réutilisations. Le méthane a été

constitue un moyen de recourir plus

choisi en vue de produire sur Mars le

efficacement aux alliages de nickel tels

propergol nécessaire au vol de retour.

que le 718 dans les applications haute

En effet, il est possible de produire

performance nécessitant des formes

du méthane et de l’eau au moyen du

complexes.

procédé Sabatier, qui consiste à faire

L’impression 3D peut rendre le traite-

réagir de l’hydrogène avec du dioxyde

ment de l’alliage 718 plus simple et plus

de carbone à haute pression et à haute

commode tout en préservant bien les

température (idéalement entre 300 °C et

propriétés du matériau. Ce procédé

400 °C) en utilisant un catalyseur. Et le

de fabrication permet de s’affranchir

nickel est l’un des catalyseurs possibles.

de l’usinage et du soudage et donc de

L’atmosphère de Mars se compose à

réduire les pertes de matériau à un

95 % de dioxyde de carbone et la NASA

minimum. Ses avantages s’illustrent

a confirmé la présence d’eau sur cette

bien dans un prototype de moteur-fusée

planète, si bien que celle-ci offre les

en alliage 718 créé de bout en bout

matières premières nécessaires pour

au moyen d’un système d’intelligence

produire le méthane et l’oxygène devant

artificielle mis au point par l’éditeur de

servir de propergol, ainsi que de l’oxy-

logiciel allemand Hyperganic.

gène respirable pour les astronautes.

À la différence d’un moteur-fusée

Par ailleurs, le froid régnant sur la

traditionnel, composé de pièces

planète rouge et les basses températures

produites séparément avant d’être

requises pour maintenir le méthane,

assemblées, le prototype imprimé en 3D

l’hydrogène et l’oxygène à l’état liquide

se présente en un seul bloc continu. Il

nécessiteront aussi l’emploi de matériaux

intègre la chambre de combustion où se

contenant du nickel.

consument combustible et comburant,

L’alliage Ni-Cu K-500 (N05500) excelle

ainsi que les canalisations de surface

par sa ductilité aux températures cryogé-

où circule l’ergol refroidissant destiné à

niques et par sa résistance à l’inflammation dans l’oxygène pur. Cela en fait un choix privilégié pour les turbopompes à oxygène des moteurs-fusées. Moteurs-fusées monoblocs Avec sa résistance et sa ténacité élevées, l’alliage 718 (N07718), un mélange nickel-chrome à durcissement structural utilisé dans les turboréacteurs d’aviation, s’emploie aussi dans les moteurs-fusées

prévenir une surchauffe de la chambre. La fabrication en un seul bloc aboutit au poids le plus faible, au refroidissement le plus efficace et au rendement le plus élevé qui puissent s’obtenir pour un modèle de moteur-fusée donné. L’Université de Californie à San Diego utilise aussi l’impression 3D pour réaliser le moteur en alliage 718 Ignus II dans le cadre de son projet de lanceur Vulcan II.

et dans les réservoirs sous pression afin

À chaque nouvelle utilisation, le nickel

de maintenir les propergols cryogé-

contribue à l’avenir de l’exploration

niques à -250 °C. Toutefois, en raison de

spatiale.

HYPERGANIC TECHNOLOGIES AG

Destiné à ouvrir la voie à de futurs vols

Un moteur-fusée monobloc en alliage 718 imprimé en 3D L’alliage 718 est le superalliage de base par excellence. Composé de nickel et de chrome, cet alliage s’utilise dans la plage de températures de -252 °C à 700 °C en conservant sa grande robustesse et sa résistance à la corrosion, ce qui en fait un choix incontournable pour les moteurs-fusées. Et sa ductilité aux températures cryogéniques permet aussi de l’utiliser pour les réservoirs de propergol.

NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020 | 13

LE SAVIEZ-VOUS ? LES EXPERTS DU NICKEL INSTITUTE RÉPONDENT À VOS QUESTIONS

Q R

Question : Je suis allergique au nickel et j’aimerais savoir s’il existe des aiguilles hypodermiques sans nickel. Réponse : Le nickel est un composant

à la corrosion par la sueur et ne libère

essentiel des aciers inoxydables, tels que

que très peu de nickel. De plus, l’aiguille

ceux de nuance 304 (S30400), auxquels il

hypodermique n’est en contact avec la

confère le haut degré de ductilité, de for-

peau que pendant quelques secondes.

Geir Moe est l’ingénieur chargé de coordonner le service d’information technique du Nickel Institute. Constituée d’experts techniques situés dans le monde entier, son équipe se tient à la disposition des utilisateurs et prescripteurs de matériaux contenant du nickel pour leur offrir gratuitement des conseils techniques sur une vaste gamme d’utilisations de ce métal (aciers inoxydables, alliages de nickel, nickelage, etc.) et leur permettre ainsi de tirer parti de ses nombreux avantages en toute confiance. https://inquiries.nickelinstitute.org/

Le procédé utilise par exemple une bande droite de 18 mm de largeur sur 0,5 mm d’épaisseur enroulée sur une grande bobine. La bande est forcée à travers un jeu de rouleaux qui la transforme en un tube d’environ 6 mm de diamètre en soudant les deux bords à la molette. Le tube soudé passe ensuite dans une série de trous de plus en plus petits percés dans des outils appelés filières. À mesure que le diamètre du tube diminue, sa résistance augmente et il faut l’attendrir périodiquement par chauffage. Le diamètre du tube passe ainsi de 6 mm à 0,35 mm de diamètre, soit une réduction de 95 %. L’épaisseur de la paroi diminue en même temps que le diamètre extérieur du tube. Après la dernière étape de tréfilage, le matériau ainsi écroui est dur et résistant.

nickel est disponible au lien suivant (en anglais) : nickelinstitute.org/science/human-healthfact-sheets/fact-sheet-1-nickelallergic-contact-dermatitis/

NICKEL

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG

ABONNEZ-VOUS pour recevoir gratuitement un exemplaire imprimé de la revue Nickel en anglais ou un avis par courriel dès la parution d’un nouveau numéro. www.nickelinstitute.org LISEZ la revue Nickel (disponible en ligne en plusieurs langues). www.nickelinstitute.org/library/ CONSULTEZ LES ANCIENS NUMÉROS de la revue Nickel dans nos archives en ligne, qui remontent jusqu’à juillet 2009. www.nickelinstitute.org/library/

La plupart des réactions allergiques

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au nickel sont causées par des bijoux

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nickelés bon marché restant en contact prolongé avec la peau, car leur couche de surface peut libérer du nickel au contact de la sueur. En revanche, l’acier inoxydable de nuance 304 est très résistant

14 | NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020

Une fiche d’information sur l’allergie au

LIGNE

fabrication des aiguilles hypodermiques.

mabilité et de soudabilité nécessaire à la

VISIONNEZ les vidéos de la chaîne YouTube du Nickel Institute : www.youtube.com/user/NickelInstitute

STEVE BARNETT (1954-2020) Steve Barnett a présidé le Nickel Institute au cours d’une période difficile (20062010). Sa carrière distinguée dans le secteur des métaux embrasse quatre décennies. Après un master en métallurgie obtenu en 1976 à l’Imperial College de Londres, il a travaillé chez Davy Process Technology et chez Rustenburg Platinum avant de rejoindre en 1981 l’entreprise qui allait devenir BHP Billiton. En son sein, il a mis en service l’usine de ferronickel de Cerro Matoso, en Colombie, puis il a travaillé sur des projets relatifs aux métaux de base et a participé à des opérations

de fusions et acquisitions à La Haye et à Johannesbourg. En 1996, il s’est installé à Brisbane pour diriger le montage de projets et la fonction QHSE pour Billiton Nickel, puis pour BHP Billiton Stainless Steel Materials, avant de rejoindre le Nickel Institute. Steve Barnett était véritablement ouvert à l’international et plein de talent, de charisme, d’optimisme, d’aptitude et de courage, qualités qu’il a continué d’incarner jusqu’à sa disparition prématurée le 4 novembre 2020 à Brisbane. Ses amis et collègues de l’industrie du nickel garderont son souvenir.

NOUVELLE PUBLICATION Le guide des avantages et inconvénient des alliages de cuivre et des aciers inoxydables dans les systèmes de refroidissement par eau de mer, disponible en anglais sous le titre Copper alloys versus stainless steels for seawater cooling systems – the pros and cons (11027), compare l’utilisation des alliages de cuivre tels que les cupronickels 70-30 et 90-10 et le

KNOWLEDGE FOR A BRIGHTER FUTURE

bronze au nickel-aluminium à celle des

Copper alloys versus stainless steels for seawater cooling systems – the pros and cons

aciers inoxydables austénitiques et duplex. Cette toute nouvelle publication, rédigée par Roger Francis, consultant

A GUIDE TO THE USE OF NICKEL-CONTAINING ALLOYS

auprès du Nickel Institute, aidera les concepteurs et exploitants de centrales à choisir les alliages qui conviennent. À télécharger gratuitement sur www.nickelinstitute.org.

Codes UNS

Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).

UNS

C75700 p. 4

63,5 à 66,5

0,25 max.

0,50 max.

11,0 à 13,5

K93600 p. 10

0,10 max.

1,0 max.

0,50 max.

restant

0,60 max.

0,50 max.

35,0 à 38,0

N05500 p. 13

2,30 à 3,15

0,25 max.

restant

2,00 max.

1,50 max.

N07718 p. 13

0,020 à 0,080

0,006 max.

0,08 max.

1,0 max.

17,0 à 21,0

0,30 max.

restant

0,35 max.

2,80 à 3,30

N01555 p. 13

0,07 max.

0,05 max.

0,01 max.

0,005 max.

S30400 p. 12,14

0,08 max.

18,0 à 20,0

restant

2,00 max.

S30403 p. 8

0,03 max.

18,0 à 20,0

restant

S31603 p. 16

0,03 max.

16,0 à 18,0

S32205 p. 2

0,030 max.

22,0 à 23,0

0,10 max.

restant

0,025 max.

0,35 max.

63,0 à 70,0

0,01 max.

0,50 max.

0,35 à 0,85

4,75 à 5,25

50,0 à 55,0

0,015 max.

0,35 max.

0,65 à 1,15

0,025 max.

0,005 max.

54,0 à 57,0

restant

8,0 à 10,5

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

2,00 max.

8,0 à 12,0

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

restant

2,00 max.

2,00 à 3,00

10,0 à 14,0

0,045 max.

0,030 max.

1,00 max.

restant

2,00 max.

3,00 à 3,50

0,14 à 0,20

4,50 à 6,50

0,030 max.

0,020 max.

1,00 max.

NICKEL, VOL. 35, Nº 3. 2020 | 15

CONTREVENTEMENT EN ACIER INOXYDABLE : POUR FAIRE DURER LE PATRIMOINE ALEXANDER SEVERIN ARCHITECTURAL PHOTOGRAPHY

La tour de guet d’incendie du quartier new-yorkais de Harlem, inaugurée en 1856, est l’une des plus anciennes structures à charpente de fonte encore debout en Amérique, ce qui lui doit de figurer au Registre national des lieux historiques. Devenue vétuste, elle risquait de s’effondrer sous l’effet de la corrosion et des mouvements structuraux. L’équipe multidisciplinaire du cabinet Thornton Tomasetti a été engagée pour diriger la remise en état de la structure. En modélisant la tour, elle a décelé dans sa conception d’origine un défaut auquel il fallait remédier pour réaliser les objectifs de conservation fixés. Par conséquent, au moment de réassembler avec soin les éléments rénovés de la structure, un savant système de contreventement en croix de Saint-André a été ajouté à sa charpente. Un acier inoxydable écroui de nuance 316L (UNS S31603) a été choisi pour les tirants de contreventement en raison de sa grande résistance à la

16 NICKEL, | NICKEL,VOL. VOL.35,35,NºNº3.3.2020 2020

corrosion et aux contraintes. En effet, l’emploi de ce matériau ultrarobuste a permis de réduire le diamètre des tirants. L’acier inoxydable a fait l’objet d’une finition microbillée légèrement réfléchissante qui diffuse la lumière pour le rendre moins visible. De cette manière, il se distingue facilement du fer d’origine de la structure tout en restant aussi discret que possible, comme l’exigent les règles de conservation des monuments historiques. Le projet a été récompensé par le prix de la conservation du patrimoine Lucy G. Moses 2020 et par le prix MASTerworks de la meilleure restauration new-yorkaise, décerné par la Municipal Arts Society.