DÉFI DU CLIENT
La science des neutrons permet d’étudier de manière exceptionnelle la structure et la dynamique des matériaux au niveau atomique. Le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) abrite la source neutronique par spallation (SNS) et le réacteur à isotopes à haut flux, deux installations de pointe pour la recherche sur la diffusion des neutrons. La SNS est une source de neutrons basée sur un accélérateur créée grâce à un partenariat entre six laboratoires du ministère américain de l’Energie. L’installation de la SNS unique en son genre d’Oak Ridge produira les faisceaux de neutrons pulsés basés sur un accélérateur les plus intenses au monde à des fins de recherche scientifique et de développement industriel.
Ces faisceaux sont produits en bombardant une cible de mercure avec des protons énergétiques provenant d’un grand ensemble d’accélérateurs. Les protons excitent les noyaux de mercure dans un processus appelé spallation, libérant des neutrons qui sont formés en lignes de faisceau et guidés vers des instruments de recherche. La SNS dispose de 18 lignes de faisceau pouvant accueillir jusqu’à 24 systèmes d’instruments, qui doivent chacun bénéficier à plusieurs domaines scientifiques.
En 2004, le département de science et d’ingénierie des matériaux de l’université du Tennessee, à Knoxville, a reçu un financement du programme NSF-MRI pour développer un système de chargement in situ pour le diffractomètre VULCAN de la SNS.
Mis en service le 26 juin 2009, VULCAN est un diffractomètre d’ingénierie de premier ordre conçu pour résoudre de multiples problèmes en science et ingénierie des matériaux, tels que la cartographie des contraintes dans les composants structurels, les études de déformation in situ dans des conditions de chargement complexes, les comportements transitoires lors de la synthèse et du traitement et la cinétique des transformations de phase à des échelles de longueur multiple. Le système comprend un guide de neutrons, une table d’échantillonnage robuste, un bâti de charge multiaxial et un ensemble de détecteurs spécialisés. Le financement principal de VULCAN provient de la Fondation canadienne pour l’innovation, auquel s’ajoutent des fonds de construction supplémentaires du Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du ministère américain de l’Energie. Le Dr Xun-Li Wang est le scientifique principal et Amy Black, l’ingénieure principale, responsable de la conception et de la construction globales de l’instrument.
Le prix NSF-MRI élargit les capacités de VULCAN en fournissant un bâti de charge unique permettant de réaliser des essais mécaniques sophistiqués. Lors de l’utilisation du bâti de charge pour appliquer des charges et des moments à une éprouvette de matériau exposée au faisceau de neutrons, les chercheurs se serviront des détecteurs spécialisés pour observer les modifications des diagrammes de diffraction de l’éprouvette. A partir de ces mesures, les chercheurs peuvent obtenir des informations sur les mécanismes de défaillance en temps réel, in situ, en trois dimensions et au niveau atomique.
« Aussi avancée que cette technologie puisse paraître, la partie du bâti de charge du système joue un rôle central pour réussir à l’utiliser correctement pourla caractérisation des matériaux », a indiqué le Dr Peter Liaw, chercheur principal du projet de l’université du Tennessee. « Etant donné que le faisceau de neutrons est dans une position fixe, le bâti de charge et son système de commnade doivent être extrêmement précis pour maintenir l’éprouvette centrée dans le faisceau tout en appliquant le couple, la tension et la compression spécifiés. Et tout cela doit se faire dans un environnement présentant un niveau élevé de rayonnement et d’activation. Un système de bâti de charge standard ne ferait clairement pas l’affaire. »
« Le système de bâti de charge doit également être suffisamment léger pour pouvoir passer facilement d’une orientation verticale à une orientation horizontale, tout en étant très rigide pour minimiser le flambage des éprouvettes lors des essais de fatigue oligocyclique à forte déformation », a ajouté le Dr Xun-Li Wang. « Les défis techniques associés à la réalisation de cette capacité étaient énormes. »
SOLUTIONS MTS
Pour relever les défis posés par la conception du bâti de charge multiaxial, l’équipe de développement de VULCAN a choisi de s’associer à MTS pour deux raisons principales : l’expérience et les possibilités de personnalisation.
« L’un de nos principaux critères d’achat portait sur la capacité avérée de comprendre et de résoudre de manière créative des problèmes d’essais mécaniques uniques », a précisé Amy Black, ingénieure en chef d’ORNL sur le projet VULCAN. « MTS s’est clairement distinguée dans ce domaine, avec une longue série de réussites à son actif. »
« Des dizaines de systèmes d’essais MTS sont également utilisés dans d’autres zones de l’installation de l’ORNL et les retours de ces groupes étaient positifs à l’unanimité », a ajouté le Dr Wang.
D’ici juin 2010, le diffractomètre VULCAN sera pleinement opérationnel, avec un bâti de charge MTS multiaxial unique en son genre, qui constituera la pièce maîtresse fonctionnelle et visuelle de l’installation. Grâce à un flux sans précédent et à une instrumentation de pointe, l’instrument permettra de réaliser des études de chargement volumétrique de matériaux in situ extrêmement rapides, et notamment d’étudier les comportements cinétiques en moins d’une seconde.
Les études in situ portent sur la répartition de la température, les changements de texture, le développement des contraintes et les précipitations, dans des environnements de fonctionnement à très haute température et cryogéniques. Le système VULCAN facilite également la caractérisation simultanée de la dilatométrie, du poids et de la microstructure, ce qui permet d’obtenir un instantané très précis et détaillé de l’état atomique d’un matériau à tout moment.
AVANTAGES CLIENTS
« Le diffractomètre VULCAN va considérablement faire évoluer l’ensemble des connaissances en science des matériaux ; ses utilisations potentielles sont infinies », a estimé le Dr Liaw. « Ses capacités seront particulièrement utiles en ces temps où de nombreux matériaux, nouveaux et inconnus, sont en cours de développement pour résoudre les problèmes les plus urgents du monde, notamment les problèmes liés à l’énergie ».
« Nous sommes à l’avant-garde de l’industrie et nous avons innové presque à chaque étape du développement de VULCAN », a précisé Amy Black. « MTS était l’une des rares entreprises à pouvoir relever de manière créative des défis d’ingénierie aussi considérables. Notre collaboration avec l’université du Tennessee et MTS a permis de mettre en commun des expériences et des expertises dans des domaines très variés et cela a abouti à un bâti de charge multiaxial unique qui complétera et améliorera le diffractomètre d’ingénierie VULCAN de la SNS. »
