Les alliages à mémoire de forme : le métal qui se souvient
Tordu à froid puis chauffé, il reprend sa forme. Né dans un laboratoire de la marine américaine au début des années 1960, le nitinol soigne aujourd'hui les artères et déploie des mécanismes dans l'espace.
Un trombone tordu reste tordu. Un fil d'alliage à mémoire de forme, lui, peut être déformé à froid puis, chauffé de quelques dizaines de degrés, retrouver tout seul sa forme initiale, en soulevant au passage une charge bien plus lourde que lui. Ce comportement étonnant n'a rien de magique : il vient d'un changement d'organisation des atomes à l'intérieur du métal. Le plus célèbre de ces alliages, le nitinol, est un mélange de nickel et de titane en proportions presque égales.
Une découverte de la marine américaine
L'effet de mémoire de forme avait été repéré dès les années 1930 dans certains alliages rares, mais il restait une curiosité de laboratoire. Tout change au tournant des années 1960, au Naval Ordnance Laboratory, un laboratoire de la marine américaine situé dans le Maryland. Le métallurgiste William Buehler y étudie des alliages capables de résister à la chaleur et aux chocs. Il remarque que l'alliage nickel-titane qu'il étudie se comporte de manière inhabituelle, puis, avec ses collègues, met en évidence sa mémoire de forme. Le nom de nitinol rappelle cette origine : NiTi pour nickel-titane, NOL pour le laboratoire.
Le secret tient à deux arrangements possibles des atomes. À chaud, l'alliage adopte une structure régulière et rigide, appelée austénite. À froid, il passe dans une autre structure, la martensite, faite de petits domaines qui peuvent basculer les uns par rapport aux autres. Quand on déforme la martensite, les atomes ne glissent pas définitivement comme dans un métal ordinaire : ces domaines se réorientent. Chauffé au-dessus de sa température de transformation, le métal revient à l'austénite, et chaque atome retrouve sa place d'origine. La pièce reprend alors sa forme, sur des déformations de plusieurs pourcents, bien au-delà de ce que supporte un acier sans se déformer pour de bon.
Il existe une seconde propriété, tout aussi utile : la superélasticité. Si la température de transformation est réglée juste en dessous de la température d'usage, l'alliage reste austénitique au repos, mais une contrainte mécanique le fait passer localement en martensite. Il se déforme alors beaucoup, puis revient de lui-même dès qu'on le relâche, comme un ressort extraordinairement souple. Une variation infime de la proportion de nickel suffit à déplacer la température de transformation de plusieurs dizaines de degrés, ce qui oblige à une fabrication très précise.
Et sur Terre ?
La médecine est le premier marché du nitinol. Les stents auto-expansibles, ces petits tubes grillagés qui maintiennent une artère ouverte, sont comprimés dans un cathéter fin puis se déploient d'eux-mêmes une fois en place, à la température du corps. Les orthodontistes utilisent depuis des décennies des fils superélastiques qui exercent sur les dents une force douce et régulière, même quand elles bougent. On trouve aussi le nitinol dans des montures de lunettes quasi incassables, des instruments de chirurgie mini-invasive et des limes dentaires flexibles.
Dans l'industrie, de fins fils de nitinol servent d'actionneurs : parcourus par un courant, ils chauffent, se raccourcissent de quelques pourcents et tirent sur une pièce, sans moteur ni engrenage. On les retrouve dans des vannes thermostatiques, des dispositifs de sécurité qui se déclenchent à une température donnée, ou de petits mécanismes silencieux.
Dans l'espace, des déploiements en douceur
L'espace aime ces alliages pour leur simplicité. Un satellite doit souvent libérer, au bon moment, un panneau solaire, une antenne ou un capot. Longtemps, on a utilisé pour cela de petites charges pyrotechniques, efficaces mais qui secouent violemment les instruments voisins. Des mécanismes de libération à mémoire de forme, chauffés électriquement, font le même travail avec des chocs bien plus faibles, et certains peuvent être réarmés pour être testés au sol. Pour les rovers, la NASA a étudié des pneus faits de ressorts en nickel-titane, capables de se déformer fortement sur les rochers puis de reprendre leur forme.
Les limites sont connues : le nitinol est coûteux, difficile à usiner, et un actionneur ne convertit qu'une faible part de la chaleur reçue en travail mécanique. Sa tenue en fatigue, sur des millions de cycles, demande une conception soignée.
Les grandes structures déployables sont un enjeu majeur pour l'observation des exoplanètes. Anthropolaris s'intéresse aux écrans occulteurs de plusieurs dizaines de mètres, qui devront se déplier au millimètre près dans l'espace (voir la marche G-SGT-05). Des alliages capables de fonctionner dans le froid extrême, ou à plus haute température que le nitinol, sont activement recherchés : chaque nouvelle composition élargit la palette des mécanismes qui se déploient d'eux-mêmes.