Rien ne dure éternellement

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La corrosion est universelle: Elle ronge les infrastructures et coûte des millia

La corrosion est universelle: Elle ronge les infrastructures et coûte des milliards. Elle ne se limite pas aux métaux classiques, elle se manifeste dans les nouveaux matériaux composites et les couches fines. L’Empa sait répondre à ces problèmes.

Le mot «corrosion» vient du latin «corrodere», ronger. Il désigne la détérioration progressive d’un matériau par l’effet de substances agressives présentes dans l’environnement. Les spécialistes de l’Empa sont à l’avant-garde de l’étude de ce genre de phénomènes et trouvent souvent le moyen d’y remédier avant qu’ils ne provoquent des catastrophes telles que celle de Gênes.

Le maître d’oeuvre d’un nouveau site industriel de production d’appareils high-tech n’en croyait pas ses yeux: des kilomètres de nouvelles conduites d’air comprimé et de refroidissement en acier inox et aluminium ayant coûté plusieurs centaines de milliers de francs présentaient des signes de corrosion avant même la fin du chantier. Quel phénomène avait pu dégrader les matériaux aussi rapidement? Des experts de l’Empa se sont penchés sur l’ensemble du système. Avait-on employé des matériaux de construction corrosifs, des produits de nettoyage suspects ou avait-on simplement mal choisi les matériaux des conduites? Le coupable a finalement pu être identifié: un flacon dans une camionnette. Au lieu d’un liquide de contrôle d’étanchéité professionnel, l’équipe de montage employait un produit de nettoyage universel vendu en supermarché et dont la mousse leur signalait certes les fuites... mais contenait des acides et des chlorures qui ont attaqué les métaux.

Changement de décor: une école en Suisse orientale pendant les vacances de printemps 2019. Procédant à des nettoyages, le concierge constate que les fixations des lampes de la salle de gymnastique présentent des marques de corrosion. La direction demande l’avis de l’architecte qui a naguère supervisé le chantier. Celui-ci s’adresse à l’Empa. On démonte alors l’habillage du plafond et découvre que toute la structure métallique est attaquée. Quelques années auparavant, des ouvriers n’ayant pas connaissance de la problématique liée aux mousse de résine phénolique avaient perforé cette isolation pour poser des crochets métalliques. L’humidité ambiante a par la suite diffusé dans l’isolation, laquelle a dégagé des acides puissants qui ont rouillé les crochets en profondeur. Le plafond suspendu se serait tôt ou tard effondré.

Ces cas d’expertise constituent-ils le quotidien des chercheurs spécialisés en corrosion? Seraient-ils les pathologistes de l’industrie de la construction, les médecins légistes des matériaux, des limiers traquant un coupable? Pas du tout. Leur champ d’action est beaucoup plus vaste et couvre toute l’interface entre science des matériaux et construction d’une part, chimie et physique d’autre part. Nos chercheurs sont à la fois ingénieurs et scientifiques. Ils ne se concentrent pas uniquement sur le passé, ses erreurs et leurs conséquences, mais planchent également sur l’avenir.

Prenons comme exemple l’économie de l’hydrogène. Dans les années à venir, le virage énergétique nécessitera la conversion d’importants surplus de courant électrique en hydrogène. C’est un moyen important de stocker l’énergie solaire et éolienne estivale pour l’hiver. Il faut pour cela prévoir de grands réservoirs, mais également penser aux conduites, vannes, stations-service, moyens de transport et autres équipements comme les compteurs de livraison. Tout cela est majoritairement construit en acier de haute qualité résistant à des pressions de plusieurs centaines d’atmosphères muni de joints d’une étanchéité capable de prévenir toute fuite pendant des années. Le problème est que l’hydrogène peut s’infiltrer dans de nombreux aciers qu’il fragilise déjà à température ambiante. A partir de 300° C, il réagit en plus chimiquement avec le carbone de l’acier, ce qui dégrade la qualité de l’alliage. L’Empa a déjà entrepris l’étude des mécanismes de «fragilisation par l’hydrogène» et développe des matériaux destinés à l’approvisionnement énergétique de l’avenir.

L’hydrogène ne naît cependant pas que de la volonté humaine! Les phénomènes de corrosion peuvent en engendrer, le laisser s’infiltrer dans les matériaux et en quantité minime fragiliser localement leur structure. Pour comprendre ces mécanismes et comment les prévenir, les chercheurs doivent zoomer sur la microstructure du matériau et analyser les réactions chimiques en jeu dans les domaines microscopiques attaqués. L’Empa a développé pour cela un microcapteur électrochimique capable d’analyser des surfaces inférieures au cent millième de millimètre carré et d’y détecter une quantité de moins d’un millionième de pourcent en masse d’hydrogène. Cette méthode permet d’étudier certaines zones critiques d’éléments de construction fragilisés par de l’hydrogène atomique et donc sujet à une défaillance. Exemple: les joints de soudure.

L’équipe du laboratoire «Technologie des assemblages et corrosion» de l’Empa que Lars Jeurgens dirige depuis 2012 poursuit une double activité de recherche d’une part, et de prestations de services pour l’industrie d’autre part. «Avec nos diplômés des EPF de Zurich et de Lausanne, nous pouvons profiter du savoir cumulé de deux grandes écoles d’ingénieurs», se réjouit-il. Lui-même vient des Pays-Bas et a longtemps travaillé à l’Institut Max-Planck de Stuttgart. «La corrosion ignore les frontières, nous entretenons des relations avec des experts universitaires et de l’industrie de plusieurs pays et échangeons nos découvertes récentes et nos méthodes. Ce partage est très précieux, il nous permet de résoudre plus facilement et plus rapidement des problèmes souvent fort complexes.»

Les spécialistes en corrosion ne sont jamais à cours de travail. Ainsi, l’industrie automobile et l’aviation utilisent toujours plus de matériaux composites mêlant matériaux en tous genres. Leur tenue à la corrosion dans des environnements opérationnels parfois extrêmes est mal connue. Les alliages d’acier, de titane et d’aluminium sont aussi très utilisés. Ils doivent cependant leur résistance à la corrosion à un couche d’oxyde inerte nanométrique qui leur sert de peau et qu’on ne peut mettre en évidence - à fin d’optimisation - que par des méthodes d’analyse de surface avancées.

Finalement, l’application de revêtements fonctionnels dans les circuits et composants électroniques miniaturisés engendrent de nouvelles inconnues en terme de mécanismes de corrosion. Lars Jeurgens cite l’exemple suivant: «Lorsque la couche anticorrosion d’une turbine perd un centième de millimètre par année, ce n’est pas un problème. Mais si, dès le départ, la couche protégeant la composante électronique n’a qu’un centième de millimètre d’épaisseur, elle aura complètement disparu après une année. Ce qui semble résister à la corrosion à grande échelle doit être considéré différemment à l’échelle du micron. Il nous faut donc revoir la manière de fixer les échelles de susceptibilité à la corrosion. »

Les phénomènes de corrosion se manifestent aussi là où on les attendrait le moins: à l’intérieur de notre corps, avec ses liquides tempérés et apparemment inoffensifs. Les experts de l’Empa étudient les dégâts que la corrosion localisée peut occasionner sur des matériaux tels que les aciers inoxydables et les alliages de titane présents dans de nombreuses prothèses ainsi que pour le silicium utilisé dans de nombreux nouveaux composants implantés. Les larges surface lisses y sont peu susceptibles; en revanche, les micro-crevasse parfois liées au design ou à la fabrication peuvent générer des attaques de corrosion induites par les liquides physiologiques.

Il y a peu, une équipe de l’Empa a pu mettre en évidence en laboratoire la lente dissolution d’une couche d’adhésion en silicium. Une microfissure s’était formée entre l’alliage de titane de la prothèse et la revêtement de surface protectrice. En l’absence d’oxygène, un milieu fortement agressif peut progressivement se développer qui, en lien avec des liaisons avec le phosphates provenant du corps, peut dissoudre la couche d’adhésion de silicium. Les chercheurs de l’Empa disposent de sondes spéciales qui leur permettent d’étudier les processus chimiques de corrosion dans ces minuscules interstices, voire de les accélérer expérimentalement. Ils peuvent alors prédire avant même l’opération, et avec une bonne fiabilité, la durée de vie d’une prothèse.

L’étude des phénomènes de corrosion est de toute première importance dans bien des domaines, et pourtant, le travail des «pathologistes de l’ingénierie» reste souvent méconnu. Lars Jeurgens et ses collègues s’efforcent d’obtenir des universités et des hautes-écoles techniques qu’elles accordent plus d’attention à ces questions. «La problématique de la corrosion doit figurer en bonne place sur la checklist de toute construction et de chaque produit, pas seulement en queue de liste mais dès les premiers développements», souligne Jeurgens. «Il arrive trop fréquemment que l’on ne nous consulte qu’après avoir imprimé les prospectus en couleurs. Souvent trop tard pour aider le client.»