Des chercheurs du laboratoire Ames viennent de mettre au point un matériau nanostructuré pour réduire au maximum les frottements mécaniques et augmenter la dureté des pièces mécaniques dans les machines industrielles. Les premières applications iront aux rotors et aux stators des pompes hydrauliques. Lorsque les parties mobiles d’une machine sont sujettes à des frottements, une énergie plus importante est nécessaire pour les mettre et les garder en mouvement et bien sûr la machine a tendance à s’user plus vite. Si l’on arrivait à réduire au maximum les frottements avec un nouveau type de revêtement, cela allongerait la vie de toutes ces machines industrielles, tout en procurant des économies importantes aux sociétés qui les exploitent.
Les chercheurs du laboratoire Ames, une unité qui relève du Département d’état de l’énergie (Department of Energy, DoE), en collaboration avec d’autres laboratoires universitaires et industriels ont développé ce nouveau matériau nanostructuré très dur et anti-frottements. Son efficacité pourrait lui permettre de remplacer les matériaux existants utilisés dans les machines abrasives ou les moteurs. Le matériau développé par les chercheurs du laboratoire Ames est un alliage céramique bore-aluminium-magnésium (AlMgB14+). Cet alliage avait été développé par Cook, ses collègues du laboratoire Ames et le professeur de Iowa State University Alan Russel il y a déjà huit ans. Surnommé le BAM, ce matériau faisait déjà preuve d’une exceptionnelle dureté ; la recherche s’était aussi étendue aux alliages diborure de titane. D’après les chercheurs, le BAM est le matériau le plus dur après le diamant : sa dureté est de 46 GPa, contre 45 GPa pour le nitrure de bore cubique et de 70 à 100 GPa pour le diamant. Le nitrure de bore cubique, développé en 1969 par General Electrics, a un coût de 700 à 3.000 dollars le kilo, alors que le kilo de BAM sera aux environ des 300 dollars.
Quelle économie peut-on tirer de la minimisation des frottements ? D’après le Dr Cook, responsable du projet, les calculs effectués sur les pompes hydrauliques montrent que même une amélioration modeste de l’efficacité des pompes pourrait réduire la consommation d’énergie de 31.000 milliards d’UTB (Unité thermale britannique) par an d’ici 2030, soit une économie équivalente de 179 millions de dollars par an. Il est bien-sûr beaucoup plus économique dans la plupart des cas de ne pas remplacer les pièces des machines par d’autres pièces en céramique super dur et anti-frottements. Heureusement le BAM peut être utilisé en tant que revêtement dur et résistant.
Plusieurs sociétés participent déjà activement au projet, ou plutôt aux différents projets liés aux applications du BAM. En collaboration avec Alan Constant de l’Université de l’Etat de l’Iowa, l’équipe utilise une technique de dépôt laser pulsé pour déposer une fine couche de l’alliage sur le rotor et le stator de leurs pompes hydrauliques, ainsi que des machines de découpe industrielle en carbure de tungstène. En parallèle, Cook travaille avec Eaton Corporation inc., un équipementier leader en matériel hydraulique, en utilisant une autre technique par pulvérisation par magnétron pour appliquer le revêtement. Le groupe est aussi en collaboration avec Greeleaf Corporation, un fabriquant d’outil de découpe industrielle, pour rallonger la durée de vie de ses outils et réduire la consommation d’énergie des ses machines. Une autre équipe a été recrutée pour tester les revêtements (Peter Blau et Jun Qu du laboratoire national de Oak Ridge au Tenessee, également relevant du DoE). Les premiers tests montrent une réduction des frottements d’un facteur 10 entre une pompe traitée au BAM et une autre non traitée. Les résultats sont aussi meilleurs que ceux obtenus avec d’autres revêtements comme le carbone ou le diborure de titane. Encore en parallèle de ce projet, Cook travaille avec des chercheurs des universités du Missouri, de l’Alberta et d’autres entreprises privées pour développer des revêtements pour des outils de découpe par jet d’eau haute pression.
Ce projet de quatre ans a été soutenu à hauteur de trois millions de dollars par le Gouvernement. Quant au BAM, il est la propriété de Newtech Ceramics, une jeune pousse créée à Des Moines dans l’état de l’Iowa. L’Université de l’Etat de l’Iowa a débloqué 60.000 dollars pour aider au développement de cette jeune société.
Source :
Ames Laboratory "Tough Nanocoatings Boost Industrial Energy Efficiency", 18 Novembre 2008 – https://www.ameslab.gov/final/News/2008rel/Nanocoatings.html
Pour en savoir plus, contacts :
– Site de la start-up Newtech Ceramics : https://newtechceramics.net/
– Sur le Nitrure de bore cubique développé par General Electrics : https://www.meister-abrasives.ch/fr/technologie/abrasifs/cbn
– Sur le BAM : "Boron-aluminum-magnesium makes second hardest material" : https://findarticles.com/p/articles/mi_hb5260/is_/ai_n20362871
Code brève
ADIT : 56818
Rédacteur :
Alban de Lassus, [email protected]
