Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les alliages modernes peuvent faire appel à de nombreux éléments, si bien que le concepteur se heurte à deux problèmes majeurs, d’une part la complexité des relations entre composition, procédés et propriétés, et d’autre part à l’immensité de l’espace des compositions possibles. Cet article montre comment certains outils computationnels (la thermodynamique prédictive ainsi que des techniques issues de l’intelligence artificielle comme la fouille de données ou l’optimisation combinatoire) permettent de gérer ces problèmes et de concevoir de nouveaux alliages par le calcul, avec des gains en temps, en coûts et en performances par rapport à des méthodes par essai-erreur.
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Modern alloys can potentially incorporate many elements, so that the designer faces two major problems, on the one hand the complexity of the relations between composition, processes and properties, and on the other hand the immensity of the space of possible compositions. This article shows how certain computational tools (predictive thermodynamics as well as techniques inherited from artificial intelligence such as data mining or combinatorial optimisation) make it possible to tackle these problems and to design new alloys by calculation, associated to time, cost and performance savings compared to trial-and-error methods.
Auteur(s)
-
Franck TANCRET : Professeur des Universités - Nantes Université, Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN), Nantes, France
INTRODUCTION
Le présent article décrit une méthode générique de conception d’alliages par le calcul, qui permet des gains en temps, en coûts et en performances par rapport à des méthodes de développement par essai-erreur. Cette méthode s’appuie d’une part sur des méthodes issues de l’intelligence artificielle, telles l’optimisation combinatoire multi-objectif (algorithmes génétiques, etc.) et la fouille de données (réseaux de neurones artificiels, processus gaussiens, etc.), et d’autre part sur la thermodynamique prédictive par la méthode dite « Calphad » (pour « CALculation of PHAse Diagrams » en anglais). Ce sont les principaux outils qui permettent aujourd’hui d’embrasser la complexité des espaces de composition des matériaux métalliques modernes, qu’il s’agisse d’établir des liens entre composition, procédés et propriétés, ou de rechercher les compositions qui conduiront à des combinaisons optimales de caractéristiques.
La méthode concerne potentiellement toute l’industrie métallurgique (aciers, alliages de nickel, d’aluminium, de titane, etc.), et tous les domaines nécessitant l’emploi d’alliages métalliques performants : transport (automobile, aéronautique, spatial, ferroviaire, naval, etc.), énergie (nucléaire, gaz, pétrole, etc.), génie chimique (réacteurs, etc.), biomédical (prothèses, implants, agrafes, etc.), etc. Le contexte global du développement de nouveaux alliages est tout d’abord exposé sous une triple perspective historique, combinatoire et de complexité. Après la présentation de quelques caractéristiques techniques des outils exploités, la méthode est illustrée à l’aide d’exemples de conception d’alliages complexes, tels les superalliages à base de nickel ou les alliages multi-concentrés dits « à haute entropie ». On montre ensuite comment la méthode peut être exploitée pour concevoir des matériaux en prenant en compte des considérations environnementales (éco-conception). Quelques perspectives liées aux développements en cours de la méthode sont finalement exposées.
Domaine : Matériaux
Degré de diffusion de la technologie : Maturité
Technologies impliquées : Thermodynamique prédictive/méthode Calphad [M 4 105] ; intelligence artificielle [H 3 720], dont apprentissage machine [H 5 010] et optimisation combinatoire [S 7 218]
Domaines d’application : Métallurgie, et tous les domaines nécessitant l’emploi d’alliages métalliques performants : fabrication de moyens de transport (automobile, aéronautique, spatial, ferroviaire, naval, etc.), énergie (nucléaire, gaz, pétrole, etc.), génie chimique (réacteurs, etc.), biomédical (prothèses, implants, agrafes, etc.), etc.
Principaux acteurs français :
-
Centres de compétence : Nantes Université (Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel, IMN) ; Mines Saint-Étienne (Laboratoire Georges Friedel, LGF)
-
Industriels : Safran
Autres acteurs dans le monde : Principalement des académiques, en Europe (Royaume-Uni, Pays-Bas, Allemagne), aux États-Unis et en Chine
Contact : [email protected]
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
Genetic algorithms | Calphad | machine learning | neural networks
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Perspectives et évolutions4. Aspects environnementaux
Comme évoqué précédemment, un grand nombre de métaux permettent de fabriquer les alliages modernes, certains pouvant à eux seuls intégrer une douzaine d’éléments. Cette complexité ne joue pas en faveur du recyclage, puisque les possibilités de refusion se limitent à des mélanges d’alliages aux compositions voisines ou, a minima, contenant les mêmes éléments (la fabrication d’un alliage B ne pouvant faire appel à un alliage recyclé A que si tous les éléments de A sont présents dans B). Par ailleurs, certains éléments d’alliage sont intrinsèquement impactants pour l’environnement parce que les sources d’approvisionnement sont lointaines ou qu’il faut déployer des moyens importants, et néfastes pour l’environnement, pour les extraire et les purifier (pollution des sols et des eaux, consommation en eau et en énergie, empreinte carbone, etc.).
La méthode décrite ici permet de concevoir des alliages en optimisant, en même temps que les propriétés d’usage, le recours à des matières moins impactantes ou issues du recyclage. Le principe consiste à essayer de minimiser, dès l’étape de conception des alliages, l’impact environnemental des matières premières, c’est-à-dire des métaux entrant dans la composition des alliages. Il s’agit de prendre en compte toute la chaîne de production, de la mine à l’obtention des métaux purs utilisés par les élaborateurs d’alliages, ainsi que les opportunités de recyclage, que ce soit en amont (possibilité d’intégrer des nuances existantes recyclées dans les nouveaux alliages) ou en aval (possibilité d’intégrer les futurs alliages en fin de vie dans des nuances existantes).
Un tel chiffrage est réalisable, par exemple, en utilisant des indicateurs numériques existants pour quantifier l’empreinte carbone, l’énergie ou la consommation en eau associées à la production d’un kilogramme d’un métal donné . La possibilité de recyclage peut être abordée, quant à elle, via la proximité des alliages...
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Aspects environnementaux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BHADESHIA (H.K.D.H.) - Neural networks in materials science. - ISIJ International, 39, p. 966-979 (1999).
-
(2) - WILLIAMS (C.K.I.), RASMUSSEN (C.E.) - Gaussian processes for regression. - Advances in Neural Information Processing Systems, 8, MIT Press (1996).
-
(3) - PEI (J.F.), CAI (C.Z.), ZHU (X.J.), WANG (G.L.) - Investigation on the processing-properties of hot deformed TA15 titanium alloy via support vector regression. - Materials Science Forum, 689, p. 134-143 (2011).
-
(4) - JHA (R.), PETTERSSON (F.), DULIKRAVICH (G.S.), SAXEN (H.), CHAKRABORTI (N.) - Evolutionary design of nickel-based superalloys using data-driven genetic algorithms and related strategies. - Materials and Manufacturing Processes, 30, p. 488-510 (2015).
-
(5) - TANCRET (F.), BHADESHIA (H.K.D.H.), MACKAY (D.J.C.) - Comparison of neural networks with Gaussian processes to model the yield strength of nickel-base superalloys. - ISIJ International, 39, p. 1020-1026 (1999).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Matlab, logiciel de calcul scientifique (permettant notamment la fouille de données et l’optimisation) distribué par Mathwoks : https://fr.mathworks.com/products/matlab.html
Thermo-Calc, logiciel Calphad distribué par Thermo-Calc Software : https://thermocalc.com/
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Réseau National de la Métalurgie (RNM) : https://www.rnm-metallurgie.fr/
Société Française de Métallurgie et de Matériaux (SF2M) : https://sf2m.fr/
HAUT DE PAGE1.3 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN), Nantes Université, CNRS : https://www.cnrs-imn.fr/...
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