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Nitinol – Janvier 2008
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Historique
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Propriétés
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Applications
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Transformation
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Nitinol
Janvier 2008
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HISTORIQUE
La mémoire de forme est une propriété de certains matériaux déjà connue dans
l’antiquité, dans le cas de pots en argile. Lors de leur fabrication, lorsqu’un défaut
apparaissait, comme une déformation en creux, et était corrigé alors que l’argile restait encore malléable, cela n’améliorait pas beaucoup le résultat car le défaut faisait
à nouveau son apparition après la cuisson.
Il a fallu attendre le vingtième siècle pour constater que des alliages métalliques
présentent un effet comparable. La transformation de la microstructure, qui provoque les caractéristiques de mémoire de forme, a été découverte en 1932 à partir
d’un alliage or-cadmium. Une transformation compatible a été également observée
en 1938 avec un alliage à base de laiton.
Mais c’est seulement en 1951 que l’effet mémoire de forme a pu être constaté même
dans un lingot composé d’un alliage or-cadmium, par Read et ses collaborateurs.
En 1962, au Naval Ordinance Laboratory (NOL), Buehler et al.2 découvrirent un
alliage de nickel-titane qui présentait également un effet de mémoire de forme.
En faisant varier le pourcentage de nickel, il était possible de régler la température
à laquelle se produisait la transformation de la microstructure de moins de 0 °C
à 100 °C. Ce groupe des alliages nickel-titane reçut alors l’appellation NiTiNOL
d’après les symboles de ses constituants ainsi que l’abréviation de l’institut.
Bien que plusieurs autres alliages à mémoire de forme aient été découverts depuis
lors, le nitinol est resté le plus répandu et utilisé. Cela vient du fait, d’une part, que
cet alliage est composé de constituants facilement disponibles et de coûts raisonnables, et d’autre part que le nitinol fait preuve d’un effet de mémoire de forme
nettement plus marqué par rapport à d’autres alliages comparables. De plus, il résiste mieux à la surchauffe, et il peut subir un nombre considérablement plus important de cycles de déformation sans déperdition de l’effet de mémoire de forme.
Tableau 1: Caractéristiques techniques et économiques d’importants alliages
à mémoire de forme
Paramètres
NiTi
CuZnAl
CuAlNi
Densité [g/cm3]
6.4 ... 6.5
7.8 ... 8.0
7.1 ... 7.2
Résistance à la traction [Mpa]
800 ... 2000
400 ... 700
700 ... 800
Tension admissible ␴adm [Mpa]
250
75
100
Allongement à la rupture [%]
40 ... 50
10 ... 15
5 ... 6
Temp. As max. [°C]
120
120
170
Résistance à la surchauffe [°C]
400
160
300
Effet unidirectionnel max. ⑀1 [%]
8
4
5
Effet bidirectionnel max. ⑀ 2 [%]
4
1
1.2
Nombre de cycles [n]
100 000
10 000
1000
Affaiblissement de l’intensité de l’effet [%]
0
env. 10
env. 10
1
L.C. Chang and T.A. Read, Trans. AIME, 1951, v. 191, p. 47
2
W.J. Buehler, J.V. Gilfrich, R.C. Wiley, J. Applied Physics, v. 34, 1963, p. 1475
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Au cours des quelques années suivant la découverte du nitinol, d’autres alliages
présentant un effet de mémoire de forme ont été découverts. Comme le montre le
tableau 2, il s’agit en partie de métaux onéreux ou exotiques, voire même toxiques.
Par conséquent, en plus du nitinol, seuls les alliages contenant du cuivre sont intéressants du point de vue commercial.
Tableau 2: Alliages à mémoire de forme
Alliage
Composition
Gamme de températures
Hystérésis [°C]
de transformation [°C]
env.
AgCd
44 ... 49 % at. Cd
–190 ... –50
15
AuCd
46.5 ... 50 % at. Cd
30 ... 100
15
CuAlNi
14 ... 14.5 % pond. Al
–140 ... 100
35
3 ... 4.5 % pond. Ni
CuSn
env. 15 % at. Sn
–120 ... 30
CuZn
38.5 ... 41.5 % pond. Zn
–180 ... –10
10
CuZnX (X = Si, Sn, Al)
qques % pond. X
–180 ... 200
10
InTl
18 ... 23 % at. Tl
60 ... 100
4
NiAl
36 ... 38 % at. Al
–180 ... 100
10
NiTi
49 ... 51 % at. Ni
–50 ... 110
30
FePt
env. 25 % at. Pt
env. –130
4
MnCu
5 ... 35 % at. Cu
–250 ... 180
25
FeMnSi
32 % pond. Mn, 6 % pond. Si
–200 ... 150
100
Des alliages nickel-titane ont surtout été fabriqués au cours des années 1960–
1970 par de nombreuses entreprises. Néanmoins, le succès était souvent mitigé.
Un grand nombre de brevets a été déposé pour des produits possibles, mais la
plupart d’entre eux ne furent jamais suivis d’applications. La toute première utilisation commerciale a été lancée par la Foxboro Instruments Company, qui a mis
au point un actuateur à goupille pour un enregistreur à papier déroulant. En 1969,
la Raychem Corporation de Menlo Park a élaboré un produit qui est resté jusqu’à
aujourd’hui la principale application du nitinol: Cryofit®, un manchon de couplage
pour les circuits hydrauliques.
Des millions de ces manchons ont été utilisés sans la moindre panne. Environ à
la même époque, le nitinol a fait également son apparition en orthodontie car, en
raison de ses caractéristiques de superélasticité, il convenait parfaitement aux appareils dentaires. Au cours des années quatre-vingt, le Japon et la Russie se sont
également lancés dans la mise au point d’alliages de nitinol. La commercialisation
des nouveaux produits reposait surtout sur les caractéristiques de superélasticité. Jusqu’au début des années quatre-vingt-dix, un nombre croissant d’entreprises
fabriqua des produits à base de nitinol. La société Shape Memory Applications Inc.,
rachetée en 2001 par Johnson Matthey, fabrique une gamme étendue d’alliages à
base de nitinol disponibles sous de nombreuses formes, ou comme produits finis.
Ces alliages sont fabriqués principalement pour des applications médicales, mais
d’autres secteurs industriels ont également découvert le nitinol.
Manchons de couplage Cryofit®
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PROPRIÉTÉS DU NITINOL
Les tableaux 1 et 2 présentent de petits synoptiques des caractéristiques mécaniques des alliages à base de nickel-titane. Néanmoins, leurs propriétés les plus intéressantes sont l’effet de mémoire de forme et la superélasticité. D’où proviennent
ces effets et comment pouvons-nous les expliquer?
L’effet de mémoire de forme
Il est le résultat de transformations de la structure réticulaire du métal. A température normale, la structure métallique est présente dans la structure martensitique.
Lorsque la température est plus élevée, un changement de phase se produit dans la
structure austénitique. Ce type de changement de phase se retrouve dans différents
métaux et alliages métalliques. Cependant, la manière dont ces transformations
se produisent est inhabituelle dans le cas du nitinol, ou des alliages à mémoire de
forme en général. D’une part, elles sont réversibles sans que des défauts de plasticité n’interviennent, et d’autre part elles se déroulent sans diffusion, ce qui signifie
que les atomes ne changent pas de place dans la structure réticulaire. De surcroît,
les transformations martensitiques se produisent sans modification de volume, contrairement au cas de l’acier, pour lequel une modification considérable du volume
intervient. La raison pour laquelle le volume reste identique pendant le changement
de phase est que les nouvelles structures réticulaires peuvent se produire par simple déformation de cisaillement. Cela s’accompagne d’une disposition jumelée bien
ordonnée des mailles élémentaires.
Pour résumer encore une fois, l’effet de mémoire de forme repose sur la modification
de phase sans diffusion et réversible des structures austénitique et martensitique,
sans modification de volume. Au contraire, les atomes des mailles élémentaires se
placent selon une disposition jumelée par simple déformation de cisaillement.
T [°C]
(c)
(a)
(b)
Déformation
Schéma 1: Modifications des structures dans les alliages à mémoire de forme
Si nous déformons une pièce, par exemple un fil métallique qui, lorsqu’il est droit,
dispose de la structure décrite plus haut (schéma 1[a]), seule la disposition
jumelée de certains cristaux est modifiée (schéma 1[b]). L’opération ne requiert
pas de forces importantes, et la déformation est apparemment durable. On parle
également ici de pseudoplasticité. Si nous chauffons ce fil métallique déformé, la
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transformation résultant en une structure austénitique se produit à partir d’une certaine température, dans la plupart des cas nettement au-dessous de 100 °C
(schéma 1[c]). Comme cette structure a pratiquement les mêmes dimensions
macroscopiques que celles de la forme jumelée d’origine, le matériau reprend aussi
sa forme de départ. Dans cet exemple, le fil métallique se redresse donc pour
redevenir droit. La force sous l’effet de laquelle il reprend sa forme initiale est alors
considérable. Si le fil se refroidit sans tension externe, la transformation de structure
a lieu dans la martensite, sans modification de forme et avec la configuration de la
structure jumelée ordonnée (schéma 1[a]). Nous nous retrouvons alors à nouveau
au début du cycle.
Températures auxquelles intervient la modification
Comme nous l’avons mentionné plus haut, la modification de phase de martensite
en austénite et inversement se produit à certaines températures. Les plus importantes sont la température du début et celle de la fin de la modification de martensite
en austénite, qui sont désignées par As pour le départ de l’austénite et Af pour la fin
de l’austénite, ainsi que les températures de transformation inverse d’austénite en
martensite, qui sont désignées par Ms pour le départ de la martensite et Mf pour la
fin de la martensite. Les températures de départ et de fin divergent considérablement, ce qui conduit à une hystérésis thermique.
Ms
Af
% austénite
100
0
Mf
As
Température
Schéma 2 : Températures de transformation et hystérésis
Pour que l’effet de mémoire de forme soit conservé, les transformations doivent
avoir lieu sans diffusion. La condition pour cela est que les températures de modification de phases ne dépassent pas 300 °C. Si des alliages à mémoire de forme
sont chauffés à plus de 400 °C, ils modifient ou perdent leurs caractéristiques de
mémoire.
Sur le plan technique, les températures de la gamme de l’eau liquide, comprises
donc entre 0 et 100 °C, sont intéressantes. Une autre température marquante est
celle du corps humain, de 37 °C, qui joue un rôle important pour les pièces en
alliages à mémoire de forme utilisées dans des applications médicales, car leur
température de transformation doit être inférieure à la température corporelle si la
transformation inverse doit avoir lieu à l’intérieur du corps; inversement, elle doit être
nettement supérieure quand aucune transformation inverse ne doit s’effectuer dans
le corps. Un exemple du premier cas de figure est représenté par les instruments
chirurgicaux qui sont introduits au moyen d’un cathéter en position repliée, avant de
se déplier ensuite à l’intérieur du corps.
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Les différents effets des alliages à mémoire de forme
L’effet unidirectionnel
L’exemple décrit plus haut du fil métallique déformé qui reprend sa forme d’origine
après un échauffement représente l’effet unidirectionnel.
Etat d’origine
Déformation
Echauffement
Schéma 3 : Effet unidirectionnel (schématiquement)
Les différentes étapes sont les suivantes:
– Le matériau est en phase de martensite avec une structure réticulaire jumelée.
– La déformation produit une structure de martensite qui est déjumelée.
– L’échauffement produit la modification de phase en austénite; le matériau reprend
sa forme d’origine.
– Lors du refroidissement apparaît à nouveau une phase de martensite avec sa
structure jumelée typique.
L’effet bidirectionnel
Dans le cas de l’effet bidirectionnel, la tension accumulée lors de la déformation est
éliminée à nouveau par l’échauffement et la modification de phase. Il est également
possible d’obtenir, au moyen de tensions internes, une déformation qui se neutralise
progressivement de manière autonome. En faisant intervenir avec doigté des tensions internes (intrinsèques) et externes (extrinsèques), comme avec un ressort de
rappel ou autre, il est possible de procéder à un «training» du matériau et de provoquer un phénomène connu sous le terme d’effet bidirectionnel.
Cela s’exprime de la façon suivante: lors de l’échauffement, la pièce prend une
certaine forme, et lors du refroidissement une autre forme. Ainsi, par échauffement
et refroidissement, il est possible de faire reprendre ces deux formes prédéfinies à
la pièce, qui se «souvient» alors quasiment des deux formes. Cela représente une
condition idéale pour la technique des actuateurs.
pièce refroidie
pièce chauffée
Schéma 4 : Effet bidirectionnel (schématiquement)
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Les différentes étapes sont les suivantes:
– Le «training» du matériau produit une structure martensitique sans structure et
non jumelée.
– Lors de l’échauffement, la structure du matériau devient austénitique, et ce dernier prend sa forme correspondant à une température élevée.
– Lors du refroidissement, la structure du matériau redevient seulement martensitique non jumelée et la pièce prend la forme correspondant à une température
basse.
– Un nouvel échauffement produit à nouveau une structure austénitique et une
forme de haute température.
Il est possible de distinguer entre différents types de «trainings» ou de façons de
faire apparaître l’effet bidirectionnel:
– en raison d’une déformation martensitique importante, au cours de laquelle le
matériau est tellement déformé qu’il reste une part de déformation irréversible;
– «training» de l’effet de mémoire de forme: répétition de déformations martensitiques faibles;
– «training» de martensite induite sous contrainte: répétition de déformations à
haute température, ce qui provoque une martensite induite par tension;
– «training» combiné de l’effet de mémoire de forme et de la martensite induite sous
contrainte: déformation à haute température, fixation et refroidissement pour
obtenir la structure martensitique;
– en raison de précipitations: une pièce de Ni-Ti riche en nickel est déformée et
pliée-dépliée, ce qui conduit à la formation de dépôts de Ti3Ni4, qui montrent des
orientations préférentielles; cet effet est très marqué et il est désigné par le terme
d’effet universel.
Etat d’origine
refroidi
chauffé
Martensite fortement
déformée et pliée-dépliée
Effet universel
Schéma 5: Effet universel (schématiquement)
Pseudoélasticité ou superélasticité
Le terme correct est pseudoélasticité. Le terme «superélasticité» a été créé à
l’origine par des spécialistes du marketing car il a un effet spectaculaire et plus vendeur. Néanmoins, il s’est tellement répandu qu’il est devenu synonyme de «pseudoélasticité».
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Les alliages superélastiques peuvent être déformés jusqu’à dix fois plus que les
aciers à ressorts classiques, sans subir de déformation plastique. Les alliages spéciaux monocristallins peuvent même être déformés jusqu’à vingt fois plus sans aucune détérioration ni déformation durable. Les alliages à mémoire de forme font
alors encore une fois preuve d’un comportement intéressant: après une brève
déformation élastique, qui évolue linéairement en fonction de la tension mécanique
appliquée, un plateau apparaît alors, au niveau duquel le matériau se déforme sans
qu’il soit nécessaire d’augmenter considérablement la contrainte, c’est-à-dire la
tension. Ce comportement est très inhabituel car l’acier à ressorts, par exemple,
se déforme de manière presque linéaire en fonction de la tension appliquée, et il
s’écarte de cette courbe linéaire seulement peu de temps avant la rupture.
Tension [kpsi]
Edelstahl
Acier à ressort
Etat d’origine
Pliage
Superelastisches
N itinol
Nitinol superélastique
Relâchement
Extension [%]
Schéma 6 : Tension de plateau des alliages à mémoire de forme et superélasticité (schématiquement)
Comment pouvons-nous expliquer la superélasticité?
Dans le cas de l’acier, une déformation provoque par la force une faible translation de tous les niwveaux de la structure réticulaire, les uns contre les autres.
Cela explique également le rapport linéaire entre la tension et la déformation. Les
alliages à mémoire de forme se comportent différemment. Ici, lorsqu’une tension
mécanique est appliquée, les translations ont lieu les unes après les autres, niveau
après niveau. La tension nécessaire pour déplacer un niveau restant toujours à peu
près identique, cela donne le plateau de tension déjà observé. La tension sort de
cette gamme non-linéaire seulement après une déformation ou extension d’environ
8%. La tension faisant partie de ce domaine élastique est désignée par le terme de
tension de plateau. Si nous plions une tige superélastique à la main, nous sentons
nettement cette gamme de plateau, et le matériau se laisse déformer comme du
caoutchouc. C’est une expérience qui est irritante au début lorsqu’il s’agit de déformer un métal!
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EXEMPLES ET DOMAINES D’APPLICATION
DES ALLIAGES À MÉMOIRE DE FORME
Médecine
Agrafes pour fractures
Une agrafe est formée en phase à haute température. Après refroidissement, elle
est légèrement ouverte par pliage.
forme prédéterminée
après ouverture par pliage
Schéma 7: Agrafes permettant une réparation osseuse après une fracture (schématiquement)
L’agrafe reste dans cet état jusqu’à ce qu’elle soit introduite dans deux trous percés dans l’os à cet effet. Comme cela a lieu également à l’état «froid», il n’est pas
nécessaire d’ouvrir l’agrafe par pliage, ni d’appliquer d’autre force. Cela facilite considérablement la pose et évite ainsi tout glissement de l’os. Dès que l’agrafe s’est
échauffée pour prendre la température du corps, elle passe en phase austénitique
et cherche ainsi à reprendre sa forme prédéterminée. Les deux parties de l’os sont
alors resserrées l’une contre l’autre.
forme ouverte par pliage
forme prédéterminée
Schéma 8 : Réduction de fractures osseuses par agrafes à mémoire de forme (schématiquement)
Pour améliorer encore la biocompatibilité du nitinol, qui est déjà excellente, des
essais sont entrepris afin de revêtir la surface d’une couche de phosphate de calcium. Celle-ci est destinée à empêcher l’éventuelle libération d’ions de nickel, et à
simuler pour le corps humain une structure minérale semblable à celle des os.
Revêtement de phosphate de calcium
Fils-guides
La chirurgie fait intervenir de plus en plus des méthodes aussi peu invasives que
possible. Elles nécessitent des incisions plus petites que dans le cas des opérations
classiques, et présentent donc beaucoup moins d’inconvénients pour les patients.
Un fil-guide s’utilise par exemple pour atteindre un emplacement endommagé par
l’intermédiaire d’une artère. Avec d’autres appareils, il permet alors de pratiquer
l’intervention chirurgicale à cet endroit. Grâce aux caractéristiques particulières du
nitinol, telles que son élasticité élevée et sa grande stabilité en cas de pliage et de
torsion, tout en restant suffisamment rigide afin de pouvoir faire avancer le fil en
poussant, ce matériau est particulièrement approprié pour cette application.
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Hypotubes
Les hypotubes sont des tubes très flexibles à parois minces qui sont utilisés eux
aussi en chirurgie minimalement invasive. Ils sont insérés dans un vaisseau le long
d’un fil-guide. Ce dernier est ensuite ôté. Les hypotubes passent même autour de
coudes étroits sans s’infléchir par compression. Il est alors possible d’introduire des
cathéters, instruments chirurgicaux minuscules, médicaments, lasers etc., rapidement et de manière ciblée sans blesser les vaisseaux ni devoir rechercher à nouveau
la voie de passage à chaque fois.
Hypotubes
Instruments chirurgicaux
S’ils sont fabriqués en nitinol, les microciseaux, scalpels ou outils de préhension
peuvent être repliés de manière extrême et conduits vers leur emplacement d’utilisation
au moyen d’un hypotube. Ils se déplient alors sous l’effet de leurs caractéristiques de
superélasticité afin de pouvoir remplir leur fonction. Ils sont ensuite retirés après usage
et déformés fortement à nouveau afin de repasser à travers les hypotubes étroits.
Stents
Un stent ressemble à treillis métallique de forme tubulaire.
Instruments
Flexibilité et indéformabilité
d’un stent en nitinol
Stents
La fonction d’un stent est de maintenir une artère ouverte. Il permet de désobstruer une artère rétrécie pour cause de pathologie, au moyen d’une opération. Un
stent est alors posé à l’endroit concerné afin d’empêcher qu’un rétrécissement ou
une obstruction ne se reproduisent. Ici aussi, les caractéristiques de superélasticité
du nitinol et son excellente biocompatibilité prédestinent ce matériau à ce genre
d’applications. La fabrication fait intervenir généralement un tube en nitinol qui est
transformé ensuite en stent par découpage au laser. Enfin, au moyen de traitements thermiques, le stent est ajusté pour atteindre son diamètre final. Des usinages ultérieurs permettent de rendre l’usure du matériau quasiment inexistante,
et d’améliorer la résistance à la corrosion. Un traitement de surface permet de minimiser les risques de coagulation du sang ou de tumeurs dans le corps. Le stent peut
être alors comprimé et placé dans un hypotube. ll se déploie de manière autonome
dans l’artère. Le stent choisi doit avoir un diamètre légèrement supérieur à celui de
l’artère, afin de maintenir constamment une légère pression. Mais il est néanmoins
mobile et accompagne les mouvements du corps.
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Technique
Pompes à couche mince
Le nitinol offre une possibilité d’application extrêmement intéressante sous la forme
d’une pompe miniaturisée pour administrer des médicaments dans le corps. Une telle pompe peut par exemple injecter de l’insuline en cas de besoin. Pour cela, elle est
couplée à un capteur de glucose. Celui-ci mesure le taux de glycémie et, si nécessaire, il envoie un signal à la pompe pour qu’elle transmette de l’insuline. De par sa
constitution, une pompe de ce genre ressemble à une pompe à membrane. Cependant, la membrane fabriquée en nitinol sert simultanément d’actuateur. Elle est plate
à l’état «froid». Une fois échauffée par un courant, elle prend la forme d’une cloche.
Cela provoque un mouvement de pompage. La pompe est également équipée de
mini-soupapes, d’un réservoir de médicaments et d’une alimentation en courant.
refroidie
Nitinol
chauffée
Silicone
Schéma 9 : Pompe à couche mince (schématiquement)
Servomoteur Kosmak
Ce servomoteur ,élaboré par des chercheurs en mécanique de l’université de la
Ruhr, est de construction extrêmement compacte. Il consomme de l’énergie seulement lorsqu’il modifie sa position, et pas pour conserver une des deux positions
finales. Le cœur du moteur est un fil métallique à mémoire de forme placé dans un
tube en aluminium. Lorsqu’une tension est appliquée, il s’échauffe et se contracte
contre la résistance d’un ressort de rappel. Il entraîne alors la rotation d’un disque
fixé à son extrémité. Le disque fait tourner l’arbre de transmission qui est fixé sur
lui, et ouvre par exemple un volet d’aération. Pour maintenir cette position malgré le
ressort de rappel, le fil devrait néanmoins être constamment rétracté, et donc chauffé. De l’énergie serait alors dépensée durablement. Pour éviter cela, un dispositif
de bascule électronique «flip-flop» intervient. Il fonctionne comme un stylo à bille: un
levier à cran est fixé sur le disque au moyen d’une articulation et, en même temps
qu’elle, le levier est actionné par le fil. Ce dernier peut entraîner le disque seulement
jusqu’à une butée intégrée. Lorsque le disque l’a atteinte, le fil tire seulement le
levier vers le haut, jusqu’à ce qu’il s’encliquette à un certain endroit. Si le clapet doit
être refermé, le fil doit alors se contracter à nouveau par échauffement. C’est ainsi
que s’ouvre le mécanisme de bascule électronique. Le ressort de rappel remet alors
le clapet en position initiale, pendant que le fil refroidit.
Mécanisme de
bascule électronique
Raccordement électrique
Tube en aluminium
Contact
interrupteur
Fil métallique
à mémoire de forme
Ressort de rappel
Levier à cran
Disque
Arbre de transmission
Schéma 10 : Servomoteur Kosmak
Articulation monolithique
Butée
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Moteur thermique
Un entraînement permettant un mouvement rotatif durable est réalisable au moyen
d’un fil de nitinol sans fin. C’est ce que l’on appelle la machine Wang, qui fait intervenir l’écart de température qui apparaît entre un bain d’eau et son environnement.
Schéma 11: Moteur thermique – machine Wang
Le dispositif est plongé de façon légèrement inclinée dans une cuvette contenant
de l’eau tiède. Il est important que la roue soit plongée moins profondément qu’à
sa mi-hauteur. Ainsi, au point initial (1), schéma 12, auquel le fil entre en contact
avec la roue, il se produit une température plus élevée qu’un point de contact
terminal (2). En traversant le bain d’eau, le fil essaie de se redresser, ce qui provoque
une rotation. Cela peut se constater en observant très attentivement le processus.
Le fil est légèrement écarté sur la côté de déroulement. Il est parfois nécessaire de
donner un léger coup sur l’ensemble.
Schéma 12 : Détail de la machine Wang
Un dispositif convenant également comme entraînement est le moteur thermique à
disque en mutation, mis au point par la Fachhochschule de Constance, dans lequel
la modification de longueur de fils métalliques à mémoire de forme est transformée
en mouvement rotatif au moyen d’un disque placé obliquement.
Bouchon de fermeture dans les pompes d’injection Diesel
Comme nous l’avons mentionné au début, la Raychem Corporation a lancé sur le
marché un manchon de couplage pour les circuits hydrauliques. Un autre domaine
d’application faisant intervenir également des pressions élevées est représenté par
les bouchons de fermeture des pompes d’injection Diesel. En amont de la pompe
d’injection proprement dite est placé une soupape de réglage dosant la quantité de
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carburant qui est ensuite injectée dans la chambre d’explosion. Le canal de raccordement entre la soupape de réglage et la pompe d’injection est évidé. La méthode
courante pour refermer le côté ouvert est d’y souder un bouchon métallique. Mais
il arrive que la soudure comporte des défauts, ce qui provoque des réclamations.
Ainsi, en 1995 par exemple, 89% de toutes les réclamations provenaient d’une
usure de la soudure. Une tige en nitinol permet d’apporter une nouvelle solution à
ce problème. Elle est d’abord préparée de façon à présenter un diamètre supérieur
à celui du trou foré, puis son diamètre est réduit. Pour le montage, le goujon est
inséré dans le trou, et l’ensemble est chauffé jusqu’à 150, voire 200 °C. Le nitinol
passe alors à la phase austénitique, et il reprend sa forme d’origine avec un diamètre plus élevé. Des tests de longue durée à des pressions nettement supérieures
à celles appliquées en fonctionnement normal ont montré que ce bouchon devient
défaillant seulement dans des conditions dans lesquelles les bouchons soudés
classiques n’auraient plus tenu depuis longtemps.
Les exemples susmentionnés ne sont pas exhaustifs. Il existe un grand nombre
d’autres applications qui ne peuvent toutes être présentées ici, comme les appareils
à café qui inclinent d’eux mêmes la cafetière, l’ouverture des vannes à eau dans
les lave-vaisselle, les armatures de soutiens-gorge, les vannes hydrauliques compactes, les arches et fils pour les appareils dentaires, les fils de béton précontraint,
et bien d’autres encore.
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TRANSFORMATION
Jonction avec d’autres pièces
Il est très difficile de combiner du nitinol avec d’autres matériaux. C’est pourquoi une
jonction mécanique est choisie la plupart du temps. Les pièces sont alors jointes par
un crimp, un sertissage ou une compression, afin d’obtenir un raccord durable.
Mais si une soudure est nécessaire, il faut veiller tout particulièrement à éliminer la
couche d’oxyde de titane. Le brasage fort et la soudure posent des problèmes, car
des fissures peuvent apparaître facilement à l’endroit du raccordement. Le soudage au laser peut être utilisé pour les petites pièces. Néanmoins, un traitement à la
chaleur est indispensable à la fin. Il y a alors un risque que les propriétés de mémoire
de forme ou de superélasticité du nitinol s’en trouvent modifiées. Dans tous les cas,
ce type de raccordement est conseillé seulement s’il n’est soumis ultérieurement à
aucune contrainte ou tension particulière.
Il est possible d’effectuer une soudure avec les alliages de Sn/Ag en faisant intervenir un fondant agressif et à condition de maîtriser parfaitement le processus.
Celui-ci peut être facilité si la pièce de nitinol a été munie d’un revêtement en nickel
ou or/nickel. D’autre part, l’effet de mémoire de forme s’utilise souvent pour réaliser un assemblage avec d’autres matériaux. La société Johnson Matthey propose
un kit de soudage du nitinol qui contient le fondant approprié, l’alliage d’apport et
des instructions pour le soudage.
Revêtement
La galvanisation du nitinol nécessite une préparation particulière afin d’ôter entièrement la couche de dioxyde de titane. Il faut alors effectuer un nettoyage par projection ou une attaque chimique. Il faut également prendre en considération que la
couche apposée résiste également aux déformations et tensions extrêmes auxquelles la pièce en nitinol est soumise. Si le bain est mal préparé, cela peut provoquer
également une fragilisation par l’hydrogène.
Des revêtements en matières plastiques sont très souvent utilisés. Il faut alors veiller
à ce que les procédures ultérieures de cuisson, utilisées par exemple pour le Téflon,
ne provoquent pas de modification des propriétés spécifiques du matériau. Dans ce
cas, la couche d’oxyde améliore l’adhésion la plupart du temps, contrairement à un
revêtement galvanique.
Des précipitations chimiques ou physiques provenant de la phase vapeur (techniques de dépôt en phase vapeur CVP ou PVD) ont également déjà été utilisées
avec succès.
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Usinage par enlèvement de copeaux et découpage
Les outils traditionnels permettent de forer, tourner ou meuler le nitinol. Néanmoins,
l’utilisateur doit prendre en considération une plus grande usure des outils. Il en
est de même pour le découpage. Les emporte-pièces ont durée de vie réduite. De
plus, ce mode d’usinage provoque des quantités de déchets relativement élevées.
L’usinage au laser et le découpage à fil d’érosion à étincelle (EDM) font partie du
répertoire standard pour l’usinage du nitinol.
Déformation
L’écrouissage est difficile à réaliser car il fragilise le matériau. Les étapes de traitement thermique suivantes permettent d’éliminer partiellement ces problèmes, mais
elles risquent de modifier les propriétés du matériau.
Le traitement thermique est souvent utilisé car il est très simple à effectuer. Une
pièce est fixée dans la position souhaitée, et le traitement à la chaleur est appliqué
de façon à ce que cette forme soit conservée. Il faut néanmoins prendre encore une
fois en considération que les propriétés du matériau, telles que la température de
modification de phases ou la tension de plateau, se trouvent nettement modifiées.
Cela pose des difficultés si nous voulons modifier la forme d’une pièce en nitinol
déjà conditionnée. Il faut alors régler à nouveau ces propriétés.
Formes des produits
Johnson Matthey peut livrer des produits semi-finis et pièces en nitinol sous différentes formes, comme des tubes, fils et plaques. Ils peuvent être proposés
par exemple en tant que tubes meulés ou découpés au laser, fils polis ultrafins, ou
bien composants superélastiques ou à mémoire de forme. Les produits semi-finis
peuvent être également livrés préformés sur demande du client. Johnson Matthey
fournit également une technique de soudage brevetée.
Différentes formes des produits en
nitinol proposés par Johnson Matthey
Tableau 3: Alliages à base de nitinol
Alliage
Température de modifi-
C* (Chromium-doped)
0...10
Application typique
cation de phases Af [ °C]
Stents, fils standard, fils fins
N (High Nickel)
0...20
Fils-guides, stents, mandrins de pliage
S (Standard Superelastic)
10…20
Appareils orthopédiques, outils chirurgicaux, stents
B (Body Temperature)
20…40
Appareils activés par la température du corps,
stents, filtres
M (Medium Temperature)
45...95
Outils chirurgicaux pliables, actuateurs, jouets
H (High Temperature)
95…115
Outils chirurgicaux pliables, actuateurs, jouets
* Contient de faibles quantités de chrome; tous les autres sont des alliages Ni-Ti binaires.
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