Un nouvel alliage Cr-Mo-Si pourrait redéfinir les limites thermiques des moteurs à réaction

Des chercheurs ont mis au point un nouveau matériau présentant une résistance à la température remarquablement élevée, démontrant un fort potentiel d'utilisation dans les moteurs à réaction.

Les technologies de pointe telles que les moteurs à réaction, les turbines à gaz, les machines industrielles et les appareils à rayons X nécessitent des matériaux capables de résister à des températures extrêmement élevées. Les métaux réfractaires comme le tungstène (W), le chrome (Cr) et le molybdène (Mo), avec leurs points de fusion extrêmement élevés (de l'ordre de 2 000 °C ou plus) et leur résistance exceptionnelle à la chaleur, à l'usure et à la déformation, sont parfaitement adaptés à ces applications.

Cependant, bien que ces métaux présentent une stabilité thermique remarquable, ils deviennent très cassants à température ambiante. De plus, ils s'oxydent rapidement au contact de l'oxygène, ce qui entraîne une rupture du matériau à des températures comprises entre 600 et 700 degrés Celsius.

De ce fait, ces matériaux ne peuvent être utilisés efficacement que dans des conditions de vide complexes, comme dans les anodes rotatives des rayons X. Pour pallier ces limitations, les ingénieurs ont longtemps eu recours aux superalliages à base de nickel pour fabriquer des composants devant résister à de hautes températures.

Superalliages à base de nickel : points forts, limites et raisons de leur saturation

Un superalliage est un alliage à hautes performances reconnu pour ses propriétés mécaniques exceptionnelles et sa résistance aux conditions extrêmes Ils résistent à la chaleur et aux fortes contraintes. Ils présentent également une bonne stabilité de surface et de phase. et haute résistance à l'oxydation et à la corrosion.

Ces alliages ont été initialement développés pour les moteurs à turbines d'avions., seulement pour s'agrandir à de nombreuses autres applications exigeantes au fil du temps, notamment les turbines à gaz, les moteurs de fusée, la production d'électricité, le traitement chimique et les usines pétrolières. 

Ils sont principalement composés de nickel, de fer ou de cobalt et peuvent conserver leur intégrité mécanique à des températures où la plupart des autres alliages céderaient. 

Le nickel (Ni) est ici d'une importance capitale. Ce métal de transition, blanc argenté et brillant, est connu pour son utilisation en alliages d'acier inoxydable. Elle joue en réalité un rôle important dans la densité énergétique et les performances de la batterie, permettant une plus grande autonomie. capacités dans électrique véhicules. 

Les propriétés de ce métal sont également essentielles pour les composants aérospatiaux, qui sont exposés aux variations de température et d'humidité. Être résistant Les alliages de nickel, résistants à l'oxydation et à la corrosion, prolongent la durée de vie des composants. ainsi améliorer l'efficacité opérationnelle et la sécurité.

Les superalliages à base de nickel sont actually le plus souvent utilisé pour les parties les plus chaudes, maquillage plus de 50 % du poids des moteurs d'avions de pointe, grâce à leur résistance exceptionnelle à opposer à fluage et rupture sous contrainte à haute température la réactivité.

Ils présentent également une résistance aux hautes températures, résistance à la fatigue, légèreté, durabilité et bonne conductivité électrique.

Ces alliages multicomposants sont composés de nickel et peuvent inclure des éléments d'alliage comme l'aluminium (Al), le chrome (Cr), le cobalt (Co), le titane (Ti) et le molybdène (Mo) pour améliorer leurs propriétés.

Les superalliages à base de nickel ont leurs propres limitations, bien que, notamment le coût élevé et la difficulté d'usinage due à l'écrouissage. et faible conductivité thermique et sensibilité à la fissuration lors du soudage et de la fabrication additive. Ils peuvent aussi souffrir de oxydation et peut éprouver dégradation des propriétés mécaniques due à la formation de précipités indésirables.

« Les superalliages existants sont composés de nombreux éléments métalliques différents, y compris des éléments rares, ce qui leur confère plusieurs propriétés. Ils sont ductiles à température ambiante, stables à haute température et résistants à l'oxydation. »

– Le professeur Martin Heilmaier de l'Institut des matériaux appliqués, des sciences et de l'ingénierie des matériaux du KIT

Mais le problème réside dans leurs températures de fonctionnement, c'est-à-dire « les températures auxquelles ils peuvent être utilisés en toute sécurité », et elles peuvent atteindre 1 100 degrés Celsius. Il a ajouté:

« Cette valeur est trop faible pour exploiter pleinement le potentiel d’amélioration de l’efficacité des turbines ou d’autres applications à haute température. En réalité, l’efficacité des processus de combustion augmente avec la température. » 

À supprimez Pour pallier ces limitations, la Fondation allemande pour la recherche (DFG) a apporté son soutien. grâce au financement, et les chercheurs ont réussi en réponse¹ un nouvel alliage de chrome (Cr), de molybdène (Mo) et de silicium (Si).

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Alliage réfractaire Cr-Mo-Si : ductilité à température ambiante + résistance à l’oxydation jusqu’à 1 100 °C

Alors que les voitures et les camions s'électrifient rapidement pour parvenir à un transport durable et décarboner le secteur, les moteurs à combustion resteront nécessaires dans les avions long-courriers, au moins dans un avenir proche. décennies.

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« Les avions électriques, a fait remarquer Heilmaier, seront difficilement adaptés aux vols long-courriers dans les prochaines décennies. Par conséquent, une réduction significative de la consommation de carburant sera un enjeu crucial. »

Dans une turbine, une augmentation de température de seulement 100 degrés Celsius peut réduire la consommation de carburant d'environ 5 %. 

Ainsi, une façon d'améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie à partir de combustibles fossiles ou synthétiques consiste à augmenter leurs températures de fonctionnement. Mais pour ce faire, il est nécessaire de remplacer les superalliages monocristallins à base de nickel par des matériaux réfractaires dans les zones les plus chaudes des turbines, qui présentent des températures de solidus bien supérieures à 2 000 °C.

Le remplacement des superalliages avancés à base de Ni par de nouveaux matériaux métalliques-intermétalliques est cependant freiné par deux limitations principales. Ce comprend un manque de résistance à l'oxydation et/ou ductilité à température ambiante (TA). 

Le truc c'est que La ductilité et la résistance à l'oxydation ne peuvent être prédites avec suffisamment de précision pour permettre Conception de matériaux ciblés. 

Actuellement, il n'existe aucune capacité de simulation prédictive précise pour l'un ou l'autre. des deux propriétés. Ce et ce, malgré les progrès significatifs réalisés dans le le développement de matériaux assisté par ordinateur. De ce fait, les scientifiques et les ingénieurs doivent s'appuyer sur cette technologie. d'après les observations.

Publiée dans la revue Nature, la dernière étude s'intitule «Un alliage ductile de chrome-molybdène résistant à l'oxydation à haute température' a introduit le nouveau matériau : un alliage monophasé Cr-36.1Mo-3Si.

« Cet alliage à base de métal réfractaire est ductile à température ambiante, son point de fusion atteint environ 2 000 degrés Celsius et, contrairement aux alliages réfractaires connus à ce jour, il ne s’oxyde que lentement, même dans la plage de températures critiques », a déclaré le Dr Alexander Kauffmann, professeur à l’université de la Ruhr à Bochum, qui a joué un rôle majeur dans cette découverte.

L'utilisation du Cr et du Mo ici permet de résoudre les problèmes of réfractaire éléments métalliques, présentant des problèmes dans l'oxydation, ce qui limite leur application. Alors que le Cr conduit à la formation d'une couche protectrice de Cr2O3, le Mo rend les régions résistantes à nitruration. 

Si est utilisé comme troisième élément mineur pour assurer La faible quantité de Cr2O3 déposée sur les couches minces a permis aux chercheurs de synthétiser des solutions solides désordonnées monophasées.

Grâce à ses propriétés exceptionnelles, « ce matériau ouvre la voie à la fabrication de composants adaptés à des températures de fonctionnement nettement supérieures à 1 100 degrés Celsius. Ainsi, les résultats de nos recherches pourraient permettre une véritable avancée technologique », a déclaré Kauffmann.

Mais bien que le matériau réponde aux exigences critiques les plus importantes pour les matériaux réfractaires, pour qu'il être utilisés Au niveau industriel, elle doit franchir « de nombreuses autres étapes de développement ».

« Néanmoins, grâce à notre découverte en recherche fondamentale, nous avons franchi une étape importante. Les groupes de recherche du monde entier peuvent désormais s'appuyer sur cette réalisation », a déclaré Heilmaier.

Qui est en tête de la course aux matériaux : États-Unis, Europe, Chine, Turquie

Alors que les chercheurs continuent pause la température et la durabilité barrières de Des avancées similaires existent pour les superalliages traditionnels à base de nickel. prendre forme dans le monde entier.

Plus tôt cette année, une équipe du laboratoire national d'Ames découvert un nouvel alliage à l'éventualité remplacer les superalliages à base de nickel et de cobalt, dont les limites de tolérance à la chaleur amélioration en efficacité énergétique.

Ils se sont aussi naturellement tournés vers les métaux réfractaires car ce sont les seuls dont les points de fusion sont beaucoup plus élevés que ceux des métaux du commerce. nickel et cobalt. Mais il y a bien sûr la question complexe de leur fabrication et de leur mise en forme en pièces détachées.

Les chercheurs ont donc décidé de combiner des métaux réfractaires en alliages à plusieurs éléments principaux, qui ne sont pas basés sur un seul élément, mais sur trois éléments ou plus, sans qu'aucun ne dépasse 50 % de la composition totale.

« Nous avons compris que la combinaison en quantités importantes de plusieurs de ces éléments purs, par ailleurs fragiles, crée des structures atomiques dotées de propriétés émergentes et uniques. »

– Le chef d'équipe, Nicholas Argibay, est un scientifique du laboratoire Ames, un laboratoire national du Bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis exploité par l'université d'État de l'Iowa. 

Cependant, mélanger plus de trois éléments implique de rechercher des millions de combinaisons, un processus fastidieux. Mais grâce à l'IA, ils ont pu gagner du temps et de l'argent et obtenir le résultat parfait du premier coup.

Donc, pour trouver les matériaux et leurs composition, les chercheurs utilisé un cadre informatique, Qui a été élaboré en réponse par deux scientifiques du laboratoire Ames, Prashant Singh et Duane Johnson.

« Nous avons mis au point une méthodologie fondée sur la théorie et qui s'articule avec les expériences. Elle oriente les expérimentateurs dans la bonne direction pour la création de nouveaux alliages possédant les propriétés spécifiques qu'ils recherchent. »

–Johnson

Ce nouvel alliage présente plus de résilience à la déformation à des températures plus élevées et à la ductilité nécessaire propriétés à être fabriqué en utilisant des méthodes commercialement éprouvées. 

The Ames team’s approach highlights how design can accelerate discoveries that once took years of trial and error. Building on this collaboration between computation and experimentation, researchers at MIT fusion de l'apprentissage automatique (ML) et de l'impression 3D métal² concevoir un alliage à base d'aluminium dont les pièces imprimées correspondent à la résistance de l'aluminium 7075 forgé et qui, après un vieillissement à 400 °C, sont environ 50 % plus résistantes que l'aluminium imprimable de référence le plus résistant. 

Pour créer ce nouveau métal, l'équipe a mélangé de l'aluminium avec d'autres éléments identifiés par simulations et apprentissage automatique.

Les chercheurs espèrent que leur nouveau métal imprimable sera bientôt disponible. transformé en plus forte, plus légeret des produits résistants à la température, tels que les pales de ventilateur in moteurs à réaction, qui sont faits au plus cher et titane plus lourd.

« Si nous pouvons utiliser des matériaux plus légers et plus résistants, cela permettrait d'économiser une quantité considérable d'énergie pour le secteur des transports », a déclaré Mohadeseh Taheri-Mousavi, responsable de l'étude et aujourd'hui professeure adjointe à l'université Carnegie Mellon.

En outre l'aérospatiale et les transports industrieLes chercheurs envisagent leur alliage imprimable à be d'utiliser dans les systèmes de refroidissement des centres de données et des automobiles haut de gamme. Leurs travaux soulignent comment la fabrication additive et la conception d'alliages pilotée par l'IA se rejoignent pour créer des matériaux plus légers, plus résistants et plus efficaces thermiquement, des propriétés essentielles pour les futurs systèmes de propulsion à réaction et énergétiques.

Dans une autre partie du monde, le fabricant turc de moteurs aérospatiaux TEI a rapporté Développement de plus de 20 superalliages et alliages de titane uniques destinés à la technologie des moteurs d'avions de chasse et d'hélicoptères.

« Les guerres se gagnent désormais dans les laboratoires et les usines. La technologie que vous produisez détermine l’issue de la guerre. »

– Mahmut Faruk Aksit, directeur général de TEI

Les températures à l'intérieur des moteurs d'avion atteignent des niveaux extrêmement élevés, « la moitié de la température de la surface du soleil », ce qui exige des métaux capables de fonctionner dans de telles conditions. « Les systèmes de refroidissement, les revêtements spéciaux et les technologies de matériaux sont donc d'une importance capitale », a-t-il ajouté.

Une dynamique similaire se dessine en Chine, où les chercheurs sont actuellement, en ce moment Je travaille sur un nouveau système de refroidissement en superalliage. technique améliorer les performances et la durabilité de composants de moteurs à turbines haute température, ce qui peut permettre moteurs à réaction de pointe.

Des chercheurs chinois ont également créée une nouvelle technique de fabrication d'aubes de turbines en alliage capables de résister à des températures jusqu'à 15 % supérieures à celles des versions existantes. Cette résistance à la chaleur améliorée devrait livrer gUne poussée moteur accrue, une meilleure efficacité énergétique et une durée de vie prolongée.

« Ce procédé consiste à intégrer une structure composite cuivre-magnésium-acier à l'intérieur de la pale grâce à des techniques de traitement thermomécanique », indique le brevet. « Cela permet à la pale de conserver sa longueur. »« Fonctionnalité à terme ng dans des conditions de températures extrêmement élevées. »

L'utilisation de la conductivité thermique du cuivre et de la résistance à la chaleur de l'acier rend ce composite adapté aux futures applications dans le domaine de l'aéronautique et de l'électrotechnique. chambres de combustion des moteurs de fusée. Voilà comment les scientifiques du monde entier travaillent à améliorer différents aspects des moteurs à réaction, contribuant ainsi à révolutionner l'aviation et la production d'énergie.

Cliquez ici pour découvrir comment un alliage banocristallin amélioré pourrait révolutionner les secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile.

Investir dans le développement des moteurs à réaction 

Entreprise d'aérospatiale et de défense, Technologies Raytheon (RTX ), est l'un des principaux investisseurs mondiaux dans les matériaux avancés et l'innovation en matière de propulsion par le biais de sa filiale Pratt & Whitney. Ce segment fournit des moteurs d'avions destinés aux secteurs militaire, de l'aviation d'affaires, commerciale et générale.

Elle comporte deux autres segments : Collins Aerospace fournit des produits aérospatiaux et de défense technologiquement avancés ainsi que des solutions de service après-vente, Raytheon développe des capacités avancées en matière de défense aérienne et antimissile, d'armes intelligentes, et autres.

L'entreprise finance et collabore régulièrement avec des initiatives de recherche universitaires et gouvernementales. dans la poursuite de L'entreprise développe des matériaux plus performants et résistants aux hautes températures pour les moteurs à réaction de nouvelle génération. Elle explore notamment les alliages réfractaires, les composites à matrice céramique (CMC) et les techniques de fabrication additive. 

Avec une capitalisation boursière de 239.5 milliards de dollars, RTX se négocie actuellement à 178.75 dollars, en hausse de 54.38 %. ceci. une année jusqu'ici. La semaine dernière encore, l'action RTX a atteint un record historique de 180.50 $. Il y a à peine deux ans, le cours de l'action de la société était inférieur à 100 $.