Les chercheurs se tournent vers les faisceaux de neutrons pour améliorer la protection des sous-marins nucléaires de la marine américaine, qui évoluent dans des conditions de pression et de température extrêmes sous l’océan.
Les sous-marins à propulsion nucléaire jouent un rôle crucial dans la sécurité nationale des États-Unis. Ils plongent régulièrement à plus de 244 mètres sous la surface de l’eau, où les pressions extérieures atteignent plus de 50 000 livres par pied carré. À ces profondeurs, de minimes défauts dans la coque en acier des sous-marins ou leurs joints soudés peuvent représenter un risque majeur pour la sécurité de l’équipage et l’intégrité structurelle du navire sur le long terme.
Pour mieux appréhender les contraintes générées par le soudage dans les alliages navals avancés, un consortium s’est constitué. La marine américaine, Electric Boat et l’Université du Connecticut collaborent avec des scientifiques du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) dépendant du Département de l’Énergie.
Des fissures sous la pression
Les sous-marins nucléaires américains mesurent jusqu’à 183 mètres de long et sont fabriqués à partir de plaques d’acier massives d’environ 100 pieds de longueur. Ces plaques sont assemblées grâce à des techniques de soudage manuelles et robotiques très contrôlées.
Malgré un contrôle qualité rigoureux, un problème persistant, connu sous le nom de fissuration par déformation de ductilité (DDC), continue de se poser. Ce phénomène se produit lorsque les métaux soudés se refroidissent et se solidifient, entraînant la formation de fissures microscopiques qui peuvent croître lentement, fragilisant ainsi les joints soudés au fil du temps. Un alliage avancé, composé de 70 % de cuivre et de 30 % de nickel, est couramment utilisé dans les applications navales, mais la DDC demeure une préoccupation majeure pour les fabricants de sous-marins à travers le monde.
Explorer les défauts cachés
Pour traiter cette problématique, l’équipe a utilisé des techniques de diffraction neutronique au Haut Intensité Diffractomètre pour l’Analyse de Contraintes Résiduelles (HIDRA), installé au Réacteur Isotopique de Haute Flux (HFIR) d’ORNL. Contrairement aux rayons X, les neutrons peuvent pénétrer en profondeur dans de gros morceaux de métal sans en altérer la structure. Grâce à la diffraction de neutrons, les chercheurs ont mesuré les variations de l’espacement des réseaux atomiques causées par des contraintes internes. Simultanément, la radiographie neutronique a permis de révéler les variations de densité et les caractéristiques internes cachées des soudures.
Les résultats de cette étude sont pionniers, car ils évaluent des aspects non microstructuraux de la DDC, notamment les contraintes résiduelles dues à la chaleur du processus de soudage. La Docteure Lesley Frame, professeure adjointe en science des matériaux et ingénierie à l’Université du Connecticut, a souligné l’importance de cette approche.
Les neutrons provenant directement du réacteur HFIR présentent la même énergie et permettent de réaliser des mesures bien plus rapidement, souvent en quelques heures plutôt qu’en plusieurs semaines.
Matt Caruso, doctorant et chercheur dans le groupe de recherche de Frame, a expliqué que le soudage étant un processus dynamique, il est plus pratique de cartographier les contraintes après le soudage. L’objectif est de relier les conditions de soudage aux modèles informatiques élaborés par leurs collègues, afin de prédire avec précision quand ces conditions peuvent conduire à des fissures, et de comprendre comment les éviter ou les minimiser.
L’avenir du soudage dans la marine
L’équipe a étudié l’espacement atomique au sein de l’alliage, utilisant les données de diffraction du HIDRA pour analyser comment les contraintes résiduelles déforment les plans cristallographiques du matériau. Frame a précisé que les expériences par neutrons sont également complétées par des tests par rayons X au Laboratoire national de Brookhaven, ce qui permet d’obtenir une compréhension plus complète des mécanismes physiques en jeu.
Caruso a conclu que les recherches menées contribueront à améliorer la compréhension de la fissuration par déformation de ductilité et à proposer des stratégies pour minimiser son apparition. En prévenant la DDC, la marine disposera de navires plus sûrs.
FAQ
Quels sont les dangers posés par la fissuration des soudures ?
Les fissures dans les soudures peuvent compromettre la sécurité des sous-marins, entraînant des risques pour l’équipage et la structure du navire.
Pourquoi la neutronique est-elle efficace pour étudier les matériaux ?
Les neutrons peuvent pénétrer profondément les matériaux sans les endommager, permettant une évaluation non destructive des contraintes internes.
Quels alliages sont utilisés dans la construction des sous-marins ?
Les alliages courants incluent des combinaisons de cuivre et de nickel, spécialement adaptés aux environnements marins.
Comment les données des neutrons aident-elles au développement de modèles informatiques ?
Les mesures précises des contraintes internes permettent d’affiner les modèles, rendant la prédiction des fissures plus fiable.
Quelle est l’importance de la collaboration interdisciplinaire dans cette recherche ?
La collaboration entre différentes institutions permet de combiner expertise technique et scientifique, pour résoudre des problèmes complexes comme la DDC.
