Des avions hypersoniques aux sous-marins nucléaires , nombre des systèmes de défense les plus avancés d’aujourd’hui reposent sur une catégorie particulière de matériaux : les alliages réfractaires . Cette catégorie désigne les métaux qui ne fondent pas et ne se fragilisent pas facilement, même sous des températures extrêmes .
Un alliage est un matériau composé de deux ou plusieurs éléments métalliques, ce qui lui confère des propriétés qu’aucun métal seul ne peut offrir : une résistance mécanique accrue ou une meilleure résistance à la corrosion , par exemple . Les alliages réfractaires sont à base d’éléments tels que le tungstène, le niobium et le molybdène, qui possèdent parmi les points de fusion les plus élevés de tous les métaux.
Leurs atomes sont liés par de fortes liaisons chimiques et organisés en une structure cristalline stable qui résiste à la déformation, même à des températures extrêmes. Alors que les alliages conventionnels commencent à se ramollir et à se déformer lentement sous une contrainte constante, les alliages réfractaires conservent leur résistance, ce qui les rend indispensables pour les composants exposés à une chaleur, des contraintes et des radiations extrêmes .
La plupart des alliages réfractaires actuellement utilisés ont été conçus il y a plusieurs décennies. Ils sont antérieurs à l’impression 3D moderne de pièces métalliques, également appelée fabrication additive , et à l’intelligence artificielle.
Pour réaliser l’impression 3D métal, un laser ou un faisceau d’électrons fait fondre des couches successives et minces de poudre métallique.
Ce procédé permet de créer une pièce 3D directement à partir d’un modèle informatique en ajoutant de la matière couche par couche, sans avoir recours à des moules ni à l’usinage d’un bloc. L’impression 3D permet de réaliser des formes impossibles à obtenir avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Cependant, de nombreux alliages réfractaires actuels sont difficiles, voire impossibles, à fabriquer de manière fiable avec ces techniques.
Ce décalage peut ralentir la production nationale de nouvelles pièces. Afin de contribuer à résoudre ces problèmes de fabrication et d’approvisionnement, une équipe de chercheurs en matériaux de l’Arizona State University et de l’UNSW Sydney a mis sur pied une nouvelle collaboration internationale pour repenser les alliages haute température.
Les vieux alliages dans un nouveau monde industriel
La fabrication additive permet aux industriels de la défense et de l’aérospatiale de produire localement, à la demande et en générant beaucoup moins de déchets, des composants complexes. Elle est en principe idéale pour la production de pièces de rechange destinées aux aéronefs, aux engins spatiaux et aux systèmes navals.
En pratique, de nombreux alliages réfractaires se fissurent, se déforment ou présentent des défauts internes lors de l’impression 3D . Leur composition a été optimisée pour la fonderie ou le forgeage, et non pour la fusion et la solidification rapides propres à l’impression laser. Lors de l’impression 3D, un laser fond et resolidifie le métal des milliers de fois en succession rapide, créant d’importants gradients de température qui génèrent des contraintes internes considérables. Plusieurs métaux réfractaires essentiels sont fragiles à température ambiante et ne peuvent absorber ces contraintes sans se fissurer.
Repenser ces alliages en utilisant les méthodes traditionnelles d’essais et d’erreurs prendrait des décennies.
Apprendre aux ordinateurs à concevoir de nouveaux métaux
Leur approche alternative utilise l’apprentissage par renforcement , une forme d’intelligence artificielle surtout connue pour entraîner les ordinateurs à maîtriser des jeux tels que le go ou les échecs.
Concevoir un nouvel alliage s’apparente à mélanger les ingrédients d’une recette, mais à l’échelle atomique. Au lieu de planifier des coups sur un échiquier, le système d’IA explore des milliers de recettes d’alliages possibles – par exemple, différentes combinaisons d’éléments chimiques. Même de minuscules modifications dans les ingrédients peuvent radicalement changer le comportement du matériau final .
L’IA évalue virtuellement chaque candidat selon de multiples critères, notamment sa résistance à des températures supérieures à 1 000 °C et sa résistance aux dommages causés par la réaction avec l’oxygène à haute température, ainsi que son poids, son coût et, surtout, sa capacité à être imprimé en 3D de manière fiable.
L’équipe de recherche utilise l’apprentissage par renforcement pour déterminer les combinaisons de métaux permettant de créer des alliages, puis recourt à l’impression 3D pour fabriquer des pièces en générant moins de déchets que les méthodes traditionnelles. Vitor Rielli
Les alliages performants sont privilégiés, tandis que les autres sont éliminés. Au fil des cycles, le système apprend quelles combinaisons chimiques fonctionnent le mieux.
Ils peuvent ensuite fabriquer et tester en laboratoire les alliages les plus prometteurs conçus par l’IA. Leurs performances réelles alimentent le modèle, améliorant ainsi progressivement ses prédictions.
Avantages stratégiques au-delà du laboratoire
Les implications de nos recherches dépassent le cadre du laboratoire.
Pour les agences de défense, un développement plus rapide des matériaux se traduit par un déploiement plus rapide des moteurs de nouvelle génération, des véhicules hypersoniques et des systèmes de protection thermique. Les alliages conçus par l’IA peuvent être optimisés en termes de résistance, de tenue à la chaleur et de facilité de fabrication. Par exemple, l’alliage GRX-810 de la NASA , conçu par des méthodes de calcul et imprimé en 3D, est 1 000 fois plus durable à haute température que les alliages traditionnels.
La fabrication traditionnelle des métaux réfractaires gaspille jusqu’à 95 % de la matière première par usinage – en enlevant la matière indésirable pour créer la forme précise – mais l’impression 3D peut ramener ce chiffre à presque zéro.
Leur travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration internationale. À l’Université d’État de l’Arizona, les recherches portent sur la conception computationnelle pilotée par l’IA. Les installations de l’UNSW Sydney permettent de réaliser des essais à haute température en analysant la microstructure du métal et en effectuant une fabrication additive dans des conditions réalistes.
Des chercheurs utilisent l’IA pour concevoir des matériaux capables de fonctionner dans des conditions de chaleur et de pression extrêmes.
Des défis restent à relever.
Cette approche n’est pas sans difficultés. L’une des principales est la rareté des données : les modèles d’IA apprennent à partir de résultats expérimentaux existants , or, pour les alliages réfractaires, ces données sont limitées. Beaucoup moins d’alliages de cette catégorie ont fait l’objet de tests systématiques, comparés à des matériaux plus courants comme l’acier ou l’aluminium.
Il existe également des contraintes pratiques. Les poudres de métaux réfractaires adaptées à l’impression 3D sont coûteuses et difficiles à se procurer, et le passage de petits échantillons de laboratoire à des composants de taille réelle est complexe. Un alliage qui fonctionne bien sous forme d’échantillon de la taille d’un ongle peut se comporter très différemment une fois imprimé sous forme de pièce complexe de grande taille.
Enfin, les prédictions de l’IA doivent toujours être validées expérimentalement – or, ces expériences sont coûteuses et chronophages. Le système ne dispense pas de tests physiques rigoureux.
Un nouveau modèle pour la recherche axée sur la défense
Leur collaboration n’en est qu’à ses débuts. Nous développons actuellement le modèle d’IA et constituons les bases de données expérimentales qui lui serviront d’apprentissage. Plus tard cette année, les premières compositions d’alliages candidates seront sélectionnées pour l’impression 3D et les essais en laboratoire. Les résultats obtenus alimenteront ensuite le modèle.
Ils collaborent également avec des agences de recherche en matière de défense afin de garantir que nos travaux correspondent aux besoins réels et de jeter les bases de programmes de plus grande envergure.
À une époque où l’avantage technologique dépend de plus en plus de la rapidité et de l’adaptabilité , repenser la conception des métaux utilisés dans les systèmes de défense peut améliorer les systèmes eux-mêmes.
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