Depuis l'âge du bronze, la sidérurgie métallurgique traditionnelle a toujours suivi une chaîne en plusieurs étapes longue de plusieurs siècles : « minerai → frittage → haut fourneau → aciérie à l'oxygène → coulée de lingots → laminage à chaud/à froid → usinage ». Cela détermine non seulement l'empreinte carbone extrêmement élevée de l'industrie sidérurgique mondiale, qui émet environ 3,6 milliards de tonnes de CO₂ par an, mais implique également un délai de plusieurs semaines à plusieurs mois entre le minerai et la pièce finale. Aujourd'hui, cette voie millénaire est complètement réécrite : une équipe internationale a démontré conjointement la possibilité de « fabriquer des pièces par fabrication additive directement à partir de minerai », et la voie de préparation de l'acier inoxydable a été pour la première fois réduite à une « seule étape ».
Formage en une seule étape : directement d'oxydes mixtes à des pièces en acier inoxydable de forme quasi-finale
Récemment, une équipe de collaboration internationale comprenant le Centre national de recherche en ingénierie pour la métallurgie sous vide de l'Université de technologie de Kunming en Chine et l'Université de l'Utah aux États-Unis a publié une recherche révolutionnaire dans la revue npj Advanced Manufacturing, appartenant au portefeuille Nature, sous le titre « Hydrogen-based ore-to-part manufacturing of near-net-shape stainless steel ».
L'équipe de recherche a utilisé un mélange de poudres d'oxydes de Fe₂O₃, Cr₂O₃, NiO et MoO₄ comme matière première. En combinant la fabrication additive avec un frittage sous hydrogène à 1300°C, elle a réalisé la réduction complète in situ de tous les composants, du fer, du chrome, du nickel et du molybdène jusqu'à l'oxyde de molybdène, obtenant un alliage massif dense et sans fissure, et réalisant la fabrication directe de pièces en acier inoxydable austénitique de forme quasi-finale. Il s'agit de la première démonstration réussie au monde de formage quasi-final direct de pièces métalliques à partir de minerai.
Validation technique : double percée de l'alliage dense et de la réduction du chrome et du molybdène
Le défi central de cette technologie réside dans la grande différence de températures et de cinétiques de réduction des divers éléments d'alliage (en particulier le chrome et le molybdène) présents dans les oxydes. La teneur d'environ 18 % de chrome dans l'acier inoxydable austénitique dépend de la réduction complète de l'oxyde de chrome (Cr₂O₃), difficile à réaliser dans des conditions conventionnelles de réduction par l'hydrogène. Grâce à des calculs thermodynamiques, l'équipe de recherche a élucidé le mécanisme de co-réduction et la voie d'alliage, démontrant que la synergie entre les différents oxydes peut favoriser le déplacement de la fenêtre de température de réduction vers des températures plus basses, permettant une distribution uniforme du chrome et du molybdène à l'intérieur de la pièce. Après frittage, les pièces ont conservé leur précision géométrique tout en subissant un retrait volumique raisonnable, prouvant la faisabilité de ce procédé, du mélange d'oxydes à l'alliage dense.
Comment bouleverser la sidérurgie : contourner entièrement les trois longues chaînes haut fourneau – aciérie – laminage à chaud
La fabrication traditionnelle de l'acier inoxydable comprend plus d'une dizaine d'étapes : extraction minière, frittage, haut fourneau, aciérie à l'oxygène, affinage, coulée continue, laminage à chaud, laminage à froid, usinage des pièces, etc., pour une durée totale de plusieurs semaines à plusieurs mois, des émissions de carbone supérieures à 2 tonnes de CO₂ par tonne d'acier, et une consommation d'énergie représentant environ 8 % de la consommation mondiale totale. La technologie « du minerai à la pièce » basée sur l'hydrogène utilise le pouvoir réducteur de l'hydrogène pour traiter le minerai et, simultanément, forme l'acier en une géométrie quasi-finale pendant le processus de frittage par réduction à l'hydrogène, contournant ainsi efficacement de multiples étapes intermédiaires à forte intensité énergétique. Les émissions de carbone sont considérablement réduites à environ 0,2 tonne de CO₂ par tonne d'acier, soit une réduction d'environ 90 % par rapport au processus traditionnel, et les émissions d'oxydes de soufre, d'oxydes d'azote et de poussières sont pratiquement éliminées. En outre, en supprimant la fonderie, le laminage à chaud et l'usinage, on prévoit un raccourcissement du cycle de fabrication de plus de 80 %, rendant possible une fabrication distribuée à la demande.
De l'ingénierie marine à l'aérospatiale
Ce procédé présente un potentiel d'application disruptif dans de nombreux secteurs de fabrication haut de gamme nécessitant des pièces en acier inoxydable de formes complexes et à haute résistance à la corrosion. Dans des scénarios tels que les composants structuraux à haute température pour l'aérospatiale et les coques résistantes à la pression pour l'ingénierie marine, cette technologie permet de contourner les processus traditionnels de fonderie et de laminage à chaud pour former directement des composants personnalisés à hautes performances. Dans les domaines des implants médicaux haut de gamme et des microréacteurs, cette technologie permet d'itérer rapidement des alliages spécifiques à base de nickel ou de chrome, réduisant considérablement le cycle de translation clinique. Avec l'intégration de systèmes de surveillance de processus, d'analyses spectroscopiques en temps réel et d'optimisation pilotée par l'IA, cette méthode montre une base solide pour une expansion vers une industrialisation à grande échelle.
Remodeler la carte de la chaîne d'approvisionnement mondiale de l'acier inoxydable
Cette percée redéfinit non seulement le point de départ de la fabrication de pièces métalliques au niveau technique, mais pourrait aussi remodeler fondamentalement la carte de la chaîne d'approvisionnement mondiale de l'acier inoxydable. L'industrie sidérurgique traditionnelle dépend fortement de minerais à haute teneur provenant de zones minières spécifiques, de grandes capacités de fusion concentrées et de réseaux logistiques mondialisés de tôles laminées à chaud. Une fois que la technologie « directement du minerai à la pièce » sera étendue à une application à grande échelle, le positionnement des centres de fabrication pourrait passer de « proche des hauts fourneaux et des ports » à « proche des capacités de fabrication additive », formant un réseau de fabrication distribué plus court et plus flexible.
La Faculté de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de technologie de Kunming, en tant que participant majeur, s'est appuyée sur la profonde accumulation d'expertise du Centre national de recherche en ingénierie pour la métallurgie sous vide dans ce domaine pour fournir un support technique clé à cette percée. Comme le mentionne l'article, cette technologie peut « minimiser les émissions et les délais associés au traitement en aval (tel que le laminage, le forgeage et l'usinage), ouvrant une nouvelle voie pour une fabrication de l'acier décarbonée ». Avec l'expansion continue de l'économie de l'hydrogène, l'utilisation d'hydrogène vert produit à partir d'énergies renouvelables liera plus étroitement la métallurgie aux systèmes d'énergie propre, faisant passer les « pièces en acier inoxydable quasi neutres en carbone sur l'ensemble du cycle de vie » du laboratoire à la réalité.