Dans un laboratoire autonome, des échantillons d’alliages nickel-cobalt-chrome comme ceux-ci, conçus par l’IA, sont fabriqués et testés à haute température. Les données recueillies lors de ces tests sont réinjectées dans le modèle afin d’optimiser l’itération suivante du processus. (Photo : Tyler Irving / Faculté d’ingénierie de l’Université de Toronto). Crédit : Tyler Irving / Faculté d’ingénierie de l’Université de Toronto
Grâce à une conception de matériaux pilotée par l’IA, une équipe de chercheurs de la faculté d’ingénierie de l’Université de Toronto a découvert un nouvel ensemble d’alliages métalliques qui conservent leur résistance dans des conditions extrêmes.
Ces matériaux sont parfaitement adaptés à la fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D métal, et pourraient permettre de réaliser des pièces améliorées et sur mesure pour l’aérospatiale, la production d’énergie et bien d’autres secteurs.
« Il existe une demande énorme pour des matériaux capables de résister à d’énormes variations de température et de pression, comme celles que l’on trouve à l’intérieur d’un moteur à réaction ou dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires – partout où l’acier conventionnel ne peut tout simplement pas survivre », explique Yu Zou, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et la fabrication pour les environnements extrêmes, qui a dirigé le projet.
« Nous avons également besoin de matériaux imprimables couche par couche, ce qui nous permettra de fabriquer des composants impossibles à réaliser par les procédés de fabrication traditionnels. Par exemple, pour obtenir un matériau à la fois léger et résistant, on peut en moduler la composition : un alliage dur et robuste à l’extérieur et un matériau plus souple et plus léger à l’intérieur. »
Ajay Talbot, doctorant, présente des échantillons d’alliages métalliques composés de nickel, de cobalt et de chrome. Avec ses collaborateurs, il a utilisé l’intelligence artificielle pour concevoir de nouveaux matériaux aux performances supérieures aux normes industrielles à haute température. Crédit : Tyler Irving / Faculté d’ingénierie de l’Université de Toronto.
Zou explique que de nombreux alliages métalliques haute performance utilisés aujourd’hui sont principalement composés d’un seul élément — souvent du nickel ou du cobalt — auquel sont mélangées de petites quantités d’une dizaine d’autres éléments.
Mais de nombreuses autres formulations restent à explorer, principalement en raison de limitations physiques. Identifier de nouveaux alliages imprimables en 3D parmi des dizaines de milliers de combinaisons possibles est une tâche ardue, surtout pour les alliages complexes composés de trois éléments principaux ou plus.
Pour surmonter ce problème et explorer de nouvelles régions de l’espace de conception potentiel, l’équipe de Zou, en collaboration avec Jason Hattrick-Simpers, exploite la puissance de l’IA.
Leur technique, qu’ils appellent apprentissage actif, combine modélisation informatique, apprentissage automatique et fabrication assistée par robot pour créer un laboratoire autonome capable de suivre des pistes prometteuses avec une intervention humaine minimale.
Ce projet est partiellement soutenu par le Consortium d’accélération de l’Université de Toronto, une communauté mondiale regroupant des représentants des gouvernements, du monde universitaire et de l’industrie qui utilise l’IA et l’automatisation pour accélérer la découverte de matériaux.
Crédit : Université de Toronto
« L’un des problèmes que l’on rencontre souvent lorsqu’on essaie d’utiliser l’IA pour concevoir des matériaux est que la plupart des modèles d’apprentissage automatique nécessitent beaucoup de données sur les propriétés des matériaux pour apprendre », explique Ajay Talbot, doctorant dans le laboratoire de Zou et auteur principal d’ un article paru dans npj Advanced Manufacturing qui décrit ces travaux.
« Mais si vous travaillez dans une partie du domaine de la conception qui n’a pas encore été explorée, ces données n’existent pas, vous naviguez donc en quelque sorte à l’aveugle. »
« Pour surmonter cette difficulté, nous utilisons des modèles à faible consommation de données qui, en quelque sorte, progressent par eux-mêmes. Notre modèle d’apprentissage actif sélectionne stratégiquement quelques échantillons à fabriquer et à tester, et les données issues de ces expériences sont réintégrées au modèle pour orienter nos prochaines étapes. Cela accélère considérablement le processus. »
Pour démontrer la valeur de cette approche, Talbot et ses collaborateurs ont ciblé ce qu’ils appellent des alliages à composition complexe contenant des quantités relativement importantes de seulement trois éléments différents : le nickel, le cobalt et le chrome.
En quelques semaines seulement, leur laboratoire de conduite autonome avait identifié six nouveaux alliages aux propriétés prometteuses.
« L’une des propriétés que nous ciblions était la résistance à la perforation à des températures allant jusqu’à 600 °C, ce que l’on trouve dans la partie avant d’un moteur à réaction », explique Talbot.
« La norme dans ce secteur est constituée d’alliages à base de nickel comme l’Inconel 625. Mais nous avons découvert un alliage composé de 12 % de nickel, 62 % de cobalt et 26 % de chrome qui conserve parfaitement sa dureté à des températures extrêmement élevées. Même avec seulement trois composants, notre alliage a surpassé l’Inconel 625 — un alliage composé de plus de 10 éléments différents — de 4,5 % lors de nos tests en laboratoire. »
Un autre alliage est conçu pour l’arrière des moteurs à réaction, où les températures peuvent atteindre des niveaux encore plus élevés, jusqu’à 1 000 °C.
« L’un des phénomènes qui se produisent dans un environnement de ce type est la formation d’une couche d’oxyde, ce qui signifie essentiellement que votre matériau est en train de se consumer », explique Talbot.
« Nous avons trouvé un matériau composé de 36 % de nickel, 14 % de cobalt et 50 % de chrome qui présente une excellente résistance à l’oxydation à ces hautes températures : il surpasse même l’Inconel 625 de 85 %. À terme, nous visons des températures encore plus élevées, jusqu’à 1 200 °C. »
Talbot affirme que les nouveaux alliages décrits dans l’article ne sont qu’un début.
« Ce système nickel-cobalt-chrome ne comporte que trois éléments. Globalement, c’est un système relativement simple », explique-t-il.
« Mais c’est formidable pour démontrer que cette plateforme de découverte en boucle fermée fonctionne réellement. Notre prochain objectif est d’accroître un peu plus la complexité pour créer des choses encore plus folles, avec peut-être jusqu’à 10 ou 12 éléments différents. »
« En ajoutant davantage de composants, on peut obtenir différents mécanismes de renforcement, différents types de propriétés utiles. Il y a encore beaucoup de choses à découvrir. »
