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10 Fév, 2023

Un superalliage léger, aimant la chaleur, promet un meilleur rendement des turbines

Un superalliage léger, aimant la chaleur, promet un meilleur rendement des turbines

Un nouveau procédé d’impression 3D combine des éléments métalliques et les fait fondre pour créer un nouveau superalliage aux propriétés extraordinaires.

Des chercheurs ont utilisé une nouvelle technique d’impression 3D pour créer un nouveau superalliage présentant « des combinaisons inédites de haute résistance, de faible poids et de résilience à haute température » – et ils affirment que les implications pour l’aérospatiale et l’énergie sont énormes.

L’un des facteurs limitant le rendement des centrales électriques actuelles est le métal utilisé dans les pales, les roulements et les joints de leurs turbines à vapeur, qui a tendance à se ramollir et à s’allonger bien avant son point de fusion. En résolvant ces problèmes, il est possible d’augmenter la température de tout ce qui convertit la chaleur en électricité à l’aide d’une turbine à vapeur, ce qui permet d’améliorer le rendement et de réduire les pertes de chaleur.

Des chercheurs des Sandia Labs, du Ames National Laboratory et de l’université d’État de l’Iowa aux Etats-Unis affirment avoir créé un superalliage haute performance imprimable en 3D, plus résistant et plus léger que les alliages haute température de pointe utilisés aujourd’hui. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Applied Materials Today.

Composé de 42 % d’aluminium, 25 % de titane, 13 % de niobium, 8 % de zirconium, 8 % de molybdène et 4 % de tantale, ce matériau est un exemple de « superalliage à éléments principaux multiples », ou MPES(multi-principal-element superalloy) . La plupart des alliages sont constitués principalement d’un élément primaire, associé à de faibles concentrations d’autres éléments pour renforcer certaines propriétés, mais les alliages multiéléments présentent des concentrations élevées de trois éléments ou plus.

Selon l’équipe de recherche, une grande variété de ces alliages s’avère très prometteuse pour un certain nombre de paramètres : rapport résistance/poids, résistance à la rupture, résistance à la corrosion et aux radiations, résistance à l’usure, etc. Mais le sous-ensemble de MPES que l’équipe a exploré excelle dans les situations de haute résistance à haute température.

Le nouveau superalliage présente des caractéristiques exceptionnelles par rapport à d’autres matériaux à haute température.

« La résistance spécifique du MPES basée sur le rapport entre la dureté et la densité est de 1,8 à 2,6 GPa-cm3/g », peut-on lire dans l’étude, « une valeur qui surpasse tous les alliages connus, y compris les composés intermétalliques et les aluminures de titane anciens, les MPEA réfractaires et les superalliages conventionnels à base de Ni. Cette résistance spécifique représente une amélioration de 300 % par rapport à l’Inconel 718, sur la base d’une dureté maximale mesurée [28] de 4,5 GPa et d’une densité de 8,2 g/cm3, ce qui donne un ratio de 0,55 GPa-cm3/g. »

Il est également conçu spécifiquement pour être imprimé en 3D sous forme de poudre, ce qui permet de le disposer en « microstructures nanométriques inhabituelles » qui, selon l’équipe de recherche, sont « insensibles à une exposition à 800 °C pendant une heure » – une température considérablement plus élevée que les quelque 570 °C auxquels fonctionne une centrale électrique au charbon typique.

En effet, le processus d’impression 3D accepte des matières premières en poudre « à composition séparée et de haute pureté » – l’imprimante elle-même mélange l’alliage lorsqu’elle fait fondre les métaux constitutifs.

Les matières premières sont introduites séparément dans la machine de fabrication additive « Laser Engineered Net Shaping ».

Selon les chercheurs, ces travaux mettent en évidence une catégorie plus large de matériaux MPES prêts à être explorés, avec un potentiel immédiatement intéressant dans l’aérospatiale ainsi que dans l’énergie. Ils préviennent que des travaux supplémentaires sur le processus d’impression 3D sont nécessaires avant de pouvoir produire de manière fiable de grandes pièces dans ces alliages sans fissures microscopiques, et que la matière première comprend certains métaux assez coûteux qui rendront ce MPES particulier difficile à mettre à l’échelle pour une utilisation plus large dans des applications où le coût est une priorité élevée.

« Avec toutes ces mises en garde, si ce matériau est évolutif et que nous pouvons en faire une pièce en vrac, cela changera la donne », déclare Andrew Kustas, chercheur au Sandia Labs, dans un communiqué de presse. « Nous montrons que ce matériau permet d’obtenir des combinaisons jusqu’ici impossibles de résistance élevée, de faible poids et de résilience à haute température. Nous pensons que c’est en partie grâce à l’approche de la fabrication additive que nous y sommes parvenus. »

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940722003031

https://www.sandia.gov/labnews/2023/02/09/new-superalloy-could-cut-carbon-emissions-from-power-plants/