1Avant d’exposer la méthode utilisée pour concevoir en métallurgie, nous proposons le cheminement suivant : d’abord situer le métallurgiste dans l’univers des technologies, puis décrire les moyens dont il dispose pour innover en les illustrant par des exemples, enfin examiner comment cet ensemble de moyens évolue au cours du temps.
2Le métallurgiste est au service des technologies utilisant ses produits. Le produit métallurgique est au bout d’une sorte de « chaîne » qui, partant du service à rendre, passe par une technologie capable d’y répondre, puis par le mécanisme clé de cette solution technologique, pour aboutir à la pièce métallique entrant dans la fabrication de ce mécanisme et en assurant le fonctionnement attendu.
3Pour le même service à rendre, la plupart du temps, plusieurs technologies sont en concurrence.
- 1 Un bilame résulte de l’association de deux alliages de dilatation différente. Une variation de temp (...)
4Prenons comme exemple le service « assurer la sécurité d’un chauffe-eau » : le mécanisme doit couper l’arrivée du gaz si la flamme de la veilleuse s’éteint. Cela peut être réalisé, soit par un bilame1 placé dans la flamme et commandant directement la valve d’arrivée du gaz, soit par un thermocouple dont le signal actionne l’électro-aimant commandant la valve. Il sera donc demandé au métallurgiste de fournir soit le bilame adapté, soit le thermocouple convenable et l’alliage magnétique ad hoc pour l’électro-aimant.
- 2 Tôle, bande mince, tube, barre, fil, pièce forgée, pièce moulée…
5Le métallurgiste doit, de plus, fournir l’alliage ad hoc sous une forme2 favorable pour fabriquer la pièce. Il est demandé au produit métallurgique - alliage x forme - de bien se comporter dans le processus de fabrication de la pièce et d’assurer que le mécanisme remplit sa fonction ; et cela, bien sûr, à un coût acceptable.
- 3 Le concepteur du mécanisme et le fabricant de la pièce expriment leurs demandes dans un langage qui (...)
6Pour mettre au point ce produit, le métallurgiste commence par lister - et exprimer en langage métallurgique3 - la totalité des propriétés qui doivent être réunies pour satisfaire à la fois les exigences du concepteur du mécanisme et celles du fabricant de la pièce. Il dessine ainsi le portrait-robot du produit métallurgique qui répondra au problème posé.
- 4 Expérience interne complétée par l’expérience externe accessible.
- 5 Aptitude aux différentes opérations (formage, découpe, soudure etc..) utilisées pour fabriquer la p (...)
7Il puise ensuite dans la panoplie à sa disposition, c’est-à-dire dans l’expérience4 en termes de propriétés et d’aptitudes5 qu’il a pris soin de capitaliser. Il y trouve soit directement la solution, soit une solution approchée qu’il va devoir affiner, soit le domaine de composition chimique et de microstructure qu’il doit explorer pour trouver la solution. La conception de la réponse adaptée peut donc être très rapide ou nécessiter au contraire un important travail de recherche et de mise au point.
8Cette réponse consistera en un alliage de composition chimique convenable, élaboré et transformé suivant un processus précis, conduisant à un produit métallurgique satisfaisant la totalité des exigences du client, ou de la « chaîne client » s’il est livré à un transformateur alimentant le fabricant du mécanisme.
- 6 Moyennant redevance si elles sont couvertes par un brevet en cours de validité.
9Les propriétés intrinsèques des alliages sont très généralement publiées et accessibles à tous6. Les aptitudes relèvent plutôt de savoir-faire généralement tenus secrets, et ce sont souvent elles qui permettront à un fournisseur de s’imposer.
10Ainsi, dans le cas de la bande mince pour supports de circuits intégrés, le choix du fer-nickel à dilatation proche de celle de la puce de silicium s’impose à tous. C’est la capacité à maîtriser des propriétés qui pourraient a priori être qualifiées d’annexes : un état de surface de qualité électronique et une bonne aptitude à la découpe, qui fait la différence entre les fournisseurs potentiels.
- 7 Le métal doit être exempt de contraintes internes qui, en se libérant, provoqueraient un défaut de (...)
11L’effort d’innovation du métallurgiste se centre donc souvent sur ces propriétés annexes dont la maîtrise réside, non dans la formulation de l’alliage, mais dans la façon précise de fabriquer le produit métallurgique, depuis son élaboration à l’aciérie (rôle des éléments mineurs) jusqu’aux dernières opérations de mise en forme (laminage à froid, recuit et planage7 pour la bande mince pour supports de circuits intégrés).
- 8 La « spécialité », finement adaptée au besoin d’un client ou un petit groupe de clients, s’oppose à (...)
12Le processus de fabrication des pièces n’est pas rigoureusement le même chez tous les fabricants du mécanisme. Il en résulte la possibilité d’offrir à chacun un produit finement adapté à ses besoins, dans une pratique du « sur mesure » qui est le stade le plus abouti de la spécialité8. La relation client - fournisseur s’en trouve considérablement renforcée.
13C’est encore plus le cas quand la relation avec le fabricant du mécanisme s’établit au stade des études. Le travail en commun peut alors prendre en compte la totalité de la panoplie du métallurgiste, remettre en cause les premières idées du fabricant et conduire à la conception d’un mécanisme amélioré (en performance ou en coût) par rapport à celui que le concepteur du mécanisme aurait défini seul.
- 9 C’est le but principal de sa présence dans les congrès et les revues scientifiques.
14Le métallurgiste cherche donc à persuader les bureaux d’étude des fabricants de mécanismes d’engager le dialogue dès le début du processus de définition d’un nouveau mécanisme. Il soigne dans ce but sa relation avec ceux des industriels dont il est fournisseur habituel et compte sur sa notoriété pour être consulté précocement9.
- 10 Très schématiquement entre 1840 et 1950.
15De façon fréquente lorsque la métallurgie était une activité en fort développement10, plus rare depuis qu’elle est mature, le travail des métallurgistes entraîne l’apparition de nouvelles recettes alliages et recettes procédés qui complètent et renouvellent la panoplie.
16Elles peuvent résulter de la recherche d’une meilleure réponse à une demande, d’une recherche d’amélioration des coûts de fabrication, ou d’une recherche plus fondamentale sur les mécanismes physico-chimiques et mécaniques qui gouvernent les propriétés des alliages et leurs procédés d’élaboration et de transformation.
- 11 Les recettes radicalement nouvelles sont rares en métallurgie mais la science des matériaux a trouv (...)
- 12 Au-dessus d’une teneur de 13 % environ, le chrome entraîne la formation d’une couche passive qui pr (...)
- 13 Alliage magnétique à hautes performances, inventé en 1914 dans les laboratoires de Bell Telephone, (...)
- 14 Durcissement obtenu par la fine dispersion d’une deuxième phase qui augmente la contrainte nécessai (...)
- 15 TRIP est l’acronyme de « transformation induced plasticity » : la déformation plastique s’accompagn (...)
- 16 Alliages qui transportent le courant électrique avec très peu de pertes.
17Nous citerons comme exemple de « recette alliages » : le rôle du chrome12, l’invar indilatable, le Permalloy13, le durcissement structural14, les aimants aux terres rares, les aciers et alliages TRIP15, les alliages à mémoire de forme, les supraconducteurs16.
- 17 Procédés permettant la transformation de fonte en acier obtenu liquide.
- 18 La composition du laitier et la façon de le mettre en contact avec le métal permettent de régler la (...)
- 19 Voir ci-après la fabrication des disques du moteur du Rafale.
18Donnons pour exemple de « recettes procédés » : les procédés Bessemer et Martin17, la fusion au four électrique, l’affinage par les laitiers18, le laminage contrôlé, la fonderie de précision, l’atomisation des poudres pré-alliées, la compaction isostatique à chaud19.
19D’une manière générale, l’apparition de recettes nouvelles relance la démarche d’optimisation (amélioration) et ouvre parfois la voie à une réponse technologique nouvelle (rupture).
- 20 L’invar est un alliage de fer (64 %) et nickel (36 %), qui doit son nom à son coefficient de dilata (...)
- 21 Formé à l’École polytechnique de Zurich, Charles Édouard Guillaume (1861-1938), dirigea le Bureau I (...)
20La découverte de l’invar20 et l’identification d’une zone du diagramme fer-nickel permettant le réglage du coefficient de dilatation ont rapidement permis à Charles Édouard Guillaume21 de substituer la Platinite (fer – 42 % nickel) au platine pour les fils traversant le culot des ampoules électriques.
21La découverte du rôle du molybdène renforçant considérablement la couche passive d’un acier inoxydable a conduit à la définition de super-inoxydables permettant de fabriquer des pièces et des structures résistant à la corrosion par l’eau de mer.
- 22 Phase intermédiaire entre le four d’élaboration et la poche de coulée.
22La maîtrise des échanges métal / laitier pendant la phase de métallurgie en poche22 permet de régler la quantité et la répartition des sulfures. C’est la clé de la fabrication de bandes minces pour supports de circuits intégrés finement ajustées au processus de découpe, soit mécanique, soit chimique.
- 23 Professeur de topographie et de géodésie à l'École technique supérieure de Stockholm (à partir de 1 (...)
23Suite à la découverte de l’invar, Guillaume a proposé des fils de grande longueur de très faible dilatation et de longueur stabilisée par un traitement de vieillissement accéléré. Ces fils ont permis à Edvard Jäderin de révolutionner les méthodes utilisées en géodésie23.
24La maîtrise du durcissement de solution solide et du durcissement structural a permis la création d’alliages conservant leur tenue mécanique à haute température. Cela a donné naissance à une vaste famille d’alliages, d’abord pour les soupapes de moteurs à explosion, puis pour les composants de turbines à vapeur et à gaz.
25L’invention des alliages à mémoire de forme a contribué à révolutionner le traitement des zones étranglées des coronaires en y introduisant des stents.
- 24 « International Thermonuclear Experimental Reactor » en construction au centre CEA de Cadarache (Sa (...)
26La construction du « TOKAMAK » d’ITER24 serait impossible sans les câbles en alliage supraconducteur qui permettent de réaliser les électro-aimants qui créeront, entretiendront et contiendront le plasma toroïdal dans lequel se produira la fusion nucléaire.
27Le but initial de l’invention d’une nouvelle recette procédés est le plus souvent d’améliorer les coûts, mais, en générant des microstructures différentes, la nouvelle « recette procédé » a presque toujours un impact sur les propriétés, ce qui en fait la source de nouvelles recettes alliages.
- 25 Codifiée en 1730 par Pierre Trésaguet (1716-1796) pour la fabrication des ancres de Marine à Cosne- (...)
28Le but premier de l’invention est d’obtenir des ébauches de 200kg, capables d’un rail, sans recourir à la méthode des « trousses25 ». Mais l’obtention en phase liquide produit un acier décanté de propreté métallurgique très améliorée par rapport à celle du fer puddlé plus ou moins aciéré. Il en résulte une augmentation considérable de la tenue à l’usure et à la fatigue. Après avoir éliminé le fer pour la fabrication des rails, l’acier Bessemer, puis Martin, s’imposera pour la totalité des usages. Fer puddlé et acier coexisteront cependant pendant près de cinquante ans.
- 26 Cela est réalisé par atomisation du métal par des jets de gaz à sa sortie de la poche réfractaire ( (...)
- 27 Application simultanée d’une température et une pression élevées.
- 28 Le conteneur est homothétique de l’ébauche à obtenir en anticipant la diminution de volume qui résu (...)
29Cette technique consiste à obtenir une poudre en solidifiant de fines gouttelettes de l’alliage liquide26. Des ébauches près des cotes finales sont ensuite obtenues par compaction isostatique à chaud27 de poudre contenue dans un conteneur de forme28. Le but premier est d’éviter les ségrégations chimiques qui se forment lors de la solidification d’un lingot et de limiter la quantité de matière perdue lors de l’usinage de la pièce. Il se révèle cependant que les ébauches de disques de turbine ainsi réalisées présentent une microstructure les rendant aptes à un matriçage à vitesse lente conférant des propriétés mécaniques exceptionnelles aux disques de turbine du moteur du Rafale.
30Dans ces deux exemples, comme dans le cas de la bande mince pour supports de circuits intégrés et dans celui, ci-dessous, de l’invar méthanier, les propriétés nouvelles sont obtenues sans action sur les éléments principaux de l’alliage. La mise en œuvre d’un procédé nouveau ou significativement amélioré peut donc transformer un alliage bien connu en un matériau véritablement nouveau.
- 29 C’était bien différent à l’époque où Guillaume et Chevenard découvraient les propriétés des alliage (...)
31Depuis que les différentes façons de combiner les éléments principaux ont livré, ou peu s’en faut, tous leurs secrets29, c’est l’amélioration des procédés et la mise en œuvre de procédés nouveaux qui génèrent la majorité des produits métallurgiques nouveaux.
- 30 Créateur du centre de recherches des Aciéries d’Imphy, Directeur scientifique de la Société Métallu (...)
32L’apparition de technologies nouvelles entraîne la demande de produits métallurgiques présentant des propriétés ignorées car sans utilité jusque-là. C’est parce qu’il avait anticipé cette demande nouvelle qu’Henri Fayol a donné mission à Pierre Chevenard30, en suivant la trace de Guillaume, de « scruter les alliages sidérurgiques spéciaux afin d’en découvrir et d’en exploiter les propriétés exceptionnelles ». Les technologies mises en œuvre par les industries nouvelles de son époque - électricité, énergie, télécommunications, chimie, automobile, etc. - ont effectivement utilisé les propriétés découvertes et mesurées par Chevenard et provoqué une floraison d’inventions d’alliages (Fellag-Ariouet, Duffaut 2022). Plus près de nous, l’industrie nucléaire a rendu nécessaire d’examiner le comportement des aciers inoxydables soumis à un flux de neutrons ; les nouveaux moteurs d’avion ont exigé des pièces résistant à des températures plus élevées et l’industrie chimique des composants résistant à des milieux extrêmement agressifs. Des alliages contenant des terres rares ou d’autres éléments exotiques parmi leurs éléments principaux ont été et continuent d’être mis au point pour répondre aux besoins des technologies nouvelles utilisant super-aimants et batteries de stockage de l’électricité.
- 31 Fabrication de pièces de révolution par « repoussage » du métal. C’est ainsi qu’ont été fabriquées (...)
33Les procédés mis en œuvre pour fabriquer la pièce évoluent et le produit métallurgique doit faire de même pour présenter les nouvelles aptitudes correspondantes. Le fluotournage31 sollicite de façon nouvelle la ductilité de l’alliage ; la découpe chimique, l’homogénéité de sa dissolution ; la soudure TIG, la tension superficielle de sa goutte liquide ; les techniques de dépôt et le collage, son état de surface. Ainsi, les alliages et produits, même ceux qui semblent connus depuis longtemps, évoluent pour répondre aux besoins nouveaux en propriétés et en aptitudes.
34De façon plus radicale, une recette alliage bien établie peut servir de point de départ pour la mise au point d’un produit constituant une véritable rupture.
- 32 Comme dans un pétrolier, les cuves épousent la double coque des navires. Elles sont tapissées d’une (...)
35Ainsi, l’invar classique présente la faible dilatation souhaitée par l’architecte naval mais, matériau métrologique et constituant peu dilatable des bilames, il est fabriqué en petites largeurs et réputé non soudable. La maîtrise des éléments résiduels (par les échanges métal / laitier) et l’invention d’un nouveau procédé de planage ont donné naissance à l’invar méthanier qui a fait le succès d’une des deux technologies de méthaniers à cuves intégrée32. Les bandes larges et droites tapissent les cuves à la façon d’un papier peint et les centaines de kilomètres de soudure sont d’une étanchéité parfaite. L’économie du transport du gaz naturel liquide en a été fortement transformée : la grande majorité des 450 méthaniers en service sont à cuves intégrées et tous ceux en commande sont de ce type.
- 33 Une pièce en NMHG réalise une dérivation du champ magnétique dont la valeur diminue lorsque la temp (...)
- 34 Marque déposée par la société Aperam.
36De même, l’alliage NMHG créé par Guillaume pour une fonction de shunt magnétique dans les compteurs à aimants33 voit son ferromagnétisme disparaître au-dessus d’une température réglable par sa teneur en nickel. Un important travail de compréhension du chauffage par induction, d’ajustement de la composition et de mise au point de la fabrication de plaques ou disques a été nécessaire pour créer le Phytherm34, alliage proposé aux fabricants d’ustensiles de cuisine pour réaliser des récipients évitant tout danger de surchauffe sur une plaque à induction.
- 35 Le nucléaire, l’aéronautique et les autres industries à leur suite, demandent que le métallurgiste (...)
37Enfin, les industries clientes exigent que les performances ne varient pas d’une livraison à l’autre, ni d’une pièce à l’autre. Le métallurgiste répond à cette exigence de constance des propriétés par un examen poussé du processus de fabrication - depuis les matières premières utilisées - suivi de la mise sous contrôle du processus conduisant à coup sûr à un matériau présentant les propriétés désirées35.
- 36 Ce qui implique précision à l’aciérie et précision au laboratoire d’analyses.
- 37 Voir par exemple : CHEVENARD Pierre, « Méthodes de recherche et de contrôle dans la métallurgie de (...)
38Guillaume utilise le terme de métallurgie de précision pour désigner la métallurgie qu’il pratique dès après la découverte de l’invar, et qui combine précision dans la teneur en chacun des éléments des alliages36 et précision dans la mesure de leurs propriétés. Il le fait dans son discours de réception du prix Nobel de Physique 1920 dans lequel il mentionne à trois reprises le nom de Chevenard et c’est avec ce même contenu que ce dernier utilise le terme dans plusieurs publications37.
- 38 CHEVENARD Pierre, « La Métallurgie de Précision » La Technique Moderne, Tome XXX, n° 7 (1er avril 1 (...)
39En 1938 cependant, après l’avoir longtemps pratiquée et illustrée, Chevenard expose que la métallurgie de précision est plus qu’une métallurgie fine et bien une méthode pour innover38.
- 39 Sir Robert Hadfield (1858-1940), célèbre métallurgiste des aciers spéciaux, actif à Sheffield. Inve (...)
- 40 HADFIELD Robert, » Récents progrès dans les aciers spéciaux », Congrès international des mines, de (...)
- 41 Albert Portevin (1880-1962), Professeur à l’École Centrale à la suite de son maître Léon Guillet. M (...)
- 42 Bien qu’employés par deux sociétés privées différentes, Portevin et Chevenard ont beaucoup travaill (...)
40Au cours du congrès international des mines, de la métallurgie et de la géologie appliquée, qui s’est tenu à Paris en octobre 1935, Sir Robert Hadfield39 a présenté un panorama des récents progrès dans le domaine des aciers spéciaux40. Sa communication rend hommage aux métallurgistes français et juge adapté de joindre en annexe les listes de vingt-sept publications d’Albert Portevin41 et de quarante-huit publications de Chevenard (plus quarante-trois notes à l’Académie des sciences), mettant ainsi en exergue les travaux des deux amis42.
- 43 CHEVENARD Pierre, « La Métallurgie… », op.cit., 1938.
41On peut penser que cette reconnaissance internationale a encouragé Chevenard à donner un caractère de méthode à sa façon de travailler. Il commence par citer son ami Portevin : » Le temps vient où de même que l’architecte ou l’ingénieur établissent le projet d’un ouvrage d’art ou d’une machine ayant un but et des qualités déterminées, le métallographe projettera la construction d'un alliage ayant des propriétés déterminées. Il choisira des atomes dans le tableau périodique des éléments pour en constituer des phases de propriétés particulières, qu'il assemblera ensuite en proportions définies, pour enfin, par des traitements mécaniques et thermiques judicieux, les organiser en édifices de particules ou de grains de forme, grosseur et répartition appropriées43 ».
42La méthode Chevenard est plus modeste que la vision de son ami mais en partage les deux points essentiels : décrire très complétement la cible et mettre en œuvre pour l’atteindre tout le savoir disponible.
- 44 Les liaisons directionnelles entre leurs atomes ne sont pas déformables comme la liaison métallique (...)
43Ce savoir disponible est d’abord fait d’expérience soigneusement capitalisée ; Chevenard parle de doctrine. Au fur et à mesure des progrès de la connaissance de la matière, une partie grandissante de cette doctrine est intégrée dans des modèles de la physique des solides et la vision de Portevin devient plus réelle. Ainsi, dans la formulation des superalliages modernes, les règles appliquées pour éviter la formation de phases compactes44 fragilisantes sont directement basées sur la structure électronique des éléments. Théorie et pratique restent cependant imbriquées car le métallurgiste sait rendre inoffensive une petite quantité de ces phases en contrôlant leur morphologie par des modes de transformation bien choisis.
44Le métallurgiste chemine donc vers sa cible en s’appuyant sur les modèles, sur l’expérience et sur son flair, car en métallurgie comme en tout domaine d’activité, l’homme de l’art n’est pas limité à ce qu’il peut démontrer.
- 45 COLIN Jean-Paul, Sensibilité à la piquration d’alliages fer-nickel et fer-nickel-cobalt lors de l’u (...)
45Il ne doit pas alimenter sa réflexion à la seule science des matériaux mais au contraire être attentif aux autres domaines de la science. La connaissance de mécanismes actifs dans des domaines éloignés de la métallurgie peut en effet l’éclairer. Ainsi, c’est la lecture d’un ouvrage de géologie expliquant la constance de la salinité de l’eau d’un océan qui a conduit à mieux comprendre l’équilibre chimique entre un alliage et le milieu liquide dans lequel il baigne45.
46Cette ouverture vers des connaissances relevant d’un autre domaine de la science a toujours été utilisée par les scientifiques. Elle a été systématisée dans la méthode CK qui préconise et organise une démarche d’allers-retours entre l’espace des concepts et celui des connaissances (Le Masson, Weil, Hatchuel 2010).
47Cette méthode est encore plus pertinente quand le métallurgiste et le fabricant de mécanismes ont la possibilité, comme évoqué ci-dessus, de travailler ensemble à la conception d’un mécanisme et de la pièce métallique qui en est le cœur.
- 46 La coulée continue de bandes minces cherche à supprimer l’étape du laminage à chaud comme la coulée (...)
48C’est également vrai pour la mise au point de procédés de fabrication en forte rupture. Cette méthode a ainsi été mise en œuvre - même si elle n’était pas décrite à l’époque - par les équipes pluridisciplinaires qui ont conçu la coulée continue de bandes minces46 et cherché à l’étendre aux aciers inoxydables.
49Jouant un rôle souvent clé dans les technologies, les aciers et alliages sont fréquemment inventés ou améliorés en réponse à un besoin nouveau dont la satisfaction permet l’avènement d’une technologie nouvelle.
50La démarche de la métallurgie de précision consiste à bien comprendre le besoin, à le traduire en termes de propriétés et d’aptitudes que le métallurgiste sait mesurer et contrôler, et à cheminer vers la solution en mobilisant modèles théoriques et expérience organisée en doctrine.
51Cette doctrine n’est pas figée. Les recettes alliages et procédés qu’elle rassemble sont constamment enrichies, tant par le travail de réponse que par des actions volontaristes d’amélioration des connaissances.