Nouvel alliage Cr-Mo-Si pourrait réécrire les limites de chaleur des moteurs à réaction

Des chercheurs ont développé un nouveau matériau présentant une résistance thermique remarquablement élevée, démontrant un fort potentiel d’utilisation dans les moteurs à réaction.

Des technologies puissantes telles que les moteurs à réaction, les turbines à gaz, les machines industrielles et les équipements 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 des points de fusion très élevés d’environ 2 000 degrés Celsius voire plus et une résistance exceptionnelle à la chaleur, à l’usure et à la déformation, sont idéaux pour ces applications.

Cependant, bien que ces métaux affichent une stabilité thermique impressionnante, ils deviennent très fragiles à température ambiante. Ils s’oxydent également rapidement lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène, entraînant une défaillance du matériau entre 600 et 700 degrés Celsius.

En conséquence, ces matériaux ne peuvent être utilisés efficacement que dans des conditions de vide complexes, comme dans les anodes rotatives des rayons X. Pour surmonter ces limites, les ingénieurs se sont longtemps appuyés sur les superalliages à base de nickel pour fabriquer des composants devant résister à la chaleur élevée.

Superalliages à base de nickel: forces, limites et raisons de leur plafonnement

Un superalliage est un alliage haute performance connu pour ses propriétés mécaniques exceptionnelles et sa résistance à la chaleur extrême et aux contraintes élevées. Il possède également une bonne stabilité de surface et de phase, ainsi qu’une haute résistance à l’oxydation et à la corrosion.

Ces alliages ont d’abord été développés pour les turbines d’avion, puis se sont étendus au fil du temps à de nombreuses autres applications exigeantes, notamment les turbines à gaz, les moteurs-fusées, la production d’énergie, le traitement chimique et les usines pétrolières.

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

Le nickel (Ni) est d’une importance capitale ici. Ce métal de transition argenté et brillant est connu pour son utilisation dans les alliages d’acier inoxydable. Il joue en fait un rôle important dans la densité d’énergie et les performances des batteries, permettant des autonomies plus longues dans les véhicules électriques.

Les propriétés du métal sont également essentielles pour les composants aérospatiaux, qui sont exposés aux variations de température et à l’humidité. En étant résistants à l’oxydation et à la corrosion, les alliages de nickel prolongent la durée de vie des composants, améliorant ainsi l’efficacité opérationnelle et la sécurité.

Les superalliages à base de nickel sont en réalité les plus largement utilisés pour les pièces les plus chaudes, représentant plus de 50 % du poids des moteurs d’avion avancés, grâce à leur résistance exceptionnelle au fluage et à la rupture sous contrainte à haute température.

Ils présentent également une résistance à haute température, une résistance à la fatigue, une durabilité légère et une bonne conductivité électrique.

Ces alliages multicomposants sont constitués de nickel et peuvent inclure des éléments d’alliage tels que 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 toutefois leurs propres limites, notamment un coût élevé, des difficultés d’usinage dues au durcissement à froid et une faible conductivité thermique, ainsi qu’une susceptibilité aux fissures lors du soudage et de la fabrication additive. Ils peuvent également subir l’oxydation et voir leurs propriétés mécaniques se dégrader en raison de la formation de précipités indésirables.

“Les superalliages existants sont composés de nombreux éléments métalliques différents, y compris des éléments rares, de sorte qu’ils combinent plusieurs propriétés. Ils sont ductiles à température ambiante, stables à haute température et résistants à l’oxydation.”

– Professeur Martin Heilmaier de l’Institut de matériaux appliqués, science des matériaux et ingénierie du KIT

Mais le problème réside dans leurs températures de fonctionnement, qui sont « les températures dans lesquelles ils peuvent être utilisés en toute sécurité », et elles atteignent jusqu’à 1 100 degrés Celsius. Il a ajouté :

“C’est trop bas pour exploiter tout le potentiel d’une plus grande efficacité dans les turbines ou d’autres applications à haute température. En fait, l’efficacité des processus de combustion augmente avec la température.”

Pour éliminer ces limites, la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) a fourni un financement, et les chercheurs ont réussi à développer¹ 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 à 1 100 °C

Alors que les voitures et les camions sont rapidement électrifiés pour atteindre un transport durable et décarboner le secteur, les moteurs à combustion dans les avions à longue portée seront encore nécessaires, du moins pendant les prochaines décennies.

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Les avions alimentés à l’électricité, a noté Heilmaier, « ne seront guère adaptés aux vols long-courriers dans les prochaines décennies. Ainsi, une réduction significative de la consommation de carburant sera une question vitale ».

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

Ainsi, une façon d’améliorer l’efficacité de la conversion énergétique des carburants fossiles ou synthétiques est d’augmenter leurs températures de fonctionnement. Mais pour y parvenir, les superalliages à base de nickel monocristallins doivent être remplacés par des matériaux réfractaires dans les zones les plus chaudes des turbines, qui affichent 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 toutefois freiné par deux limitations principales. Cela inclut un manque de résistance à l’oxydation et/ou de ductilité à température ambiante (TA).

Le problème est que la ductilité et la résistance à l’oxydation ne peuvent pas être prédites de manière suffisante pour permettre une conception ciblée des matériaux.

Actuellement, il n’existe aucune capacité de simulation prédictive précise pour l’une ou l’autre de ces deux propriétés. Cela malgré les progrès significatifs réalisés dans le développement assisté par ordinateur des matériaux. En conséquence, les scientifiques et les ingénieurs doivent se fier aux observations.

Publiée dans Nature, la dernière étude intitulée « Un alliage de chrome-molybdène ductile résistant à l’oxydation à haute température » a présenté le nouveau matériau : un alliage monophase Cr-36.1Mo-3Si.

L’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 s’oxyde très lentement, même dans la plage de température critique », 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 répond aux problèmes des éléments métalliques réfractaires, qui présentent des difficultés d’oxydation limitant leur application. Alors que le Cr favorise la formation d’une couche protectrice de Cr2O3, le Mo rend les régions résistantes à la nitruration.

Le Si est utilisé comme troisième élément mineur pour assurer une croissance lente de la couche Cr2O3. Sa faible quantité a permis aux chercheurs de synthétiser des solutions solides désordonnées monophases.

Avec ses propriétés inégalées, « cela nourrit la vision de pouvoir fabriquer des composants adaptés à des températures de fonctionnement nettement supérieures à 1 100 °C. Ainsi, le résultat de nos recherches a le potentiel de permettre un véritable bond technologique », a déclaré Kauffmann.

Mais bien que le matériau réponde aux exigences critiques les plus importantes pour les matériaux réfractaires, pour qu’il soit utilisé à l’échelle industrielle, il doit passer par « de nombreuses autres étapes de développement ».

Cependant, « avec notre découverte en recherche fondamentale, nous avons atteint une étape importante. Les groupes de recherche du monde entier peuvent désormais s’appuyer sur cette avancée », a déclaré Heilmaier.

Qui mène la course aux matériaux: États‑Unis, Europe, Chine, Turquie

Alors que les chercheurs continuent de franchir les barrières de température et de durabilité des superalliages traditionnels à base de nickel, des percées similaires se dessinent à travers le monde.

Plus tôt cette année, une équipe du a découvert un nouvel alliage pouvant potentiellement remplacer les superalliages à base de nickel et de cobalt, dont les limites de tolérance à la chaleur freinent l’amélioration de l’efficacité énergétique.

Ils se sont également naturellement tournés vers les métaux réfractaires car ils sont les seuls à posséder des points de fusion bien supérieurs à ceux du nickel et du cobalt. Mais bien sûr, la fabrication et la mise en forme de ces métaux en pièces constitue un problème complexe.

Ainsi, les chercheurs ont décidé de combiner les métaux réfractaires en alliages à éléments multiples, qui ne reposent pas sur un seul élément mais sur trois éléments ou plus, aucun ne dépassant 50 % de la composition totale.

Nous en sommes venus à comprendre que la combinaison en quantités significatives de nombreux éléments purs autrement fragiles crée des structures atomiques qui possèdent des propriétés émergentes et uniques.

– Chef d’équipe Nicholas Argibay, scientifique au Ames Lab, laboratoire national du Bureau de la Science du Département de l’Énergie des États‑Unis exploité par l’Université d’État de l’Iowa.

Cependant, mélanger plus de trois éléments signifie « des millions de combinaisons à explorer », un processus chronophage. Mais grâce à l’IA, ils ont pu économiser du temps et de l’argent et « obtenir le bon résultat » du premier coup.

Ainsi, pour identifier les matériaux et leur composition, les chercheurs ont utilisé un cadre computationnel, développé par deux scientifiques du Ames Lab, Prashant Singh et Duane Johnson.

Nous avons élaboré une méthodologie guidée par la théorie qui s’interface avec les expériences. Elle oriente les expérimentateurs dans la bonne direction pour de nouveaux alliages possédant les propriétés spécifiques qu’ils souhaitent obtenir.

– Johnson

Ce nouvel alliage présente une plus grande résilience à la déformation à des températures plus élevées ainsi que les propriétés de ductilité nécessaires pour être fabriqué à l’aide de méthodes commerciales établies.

L’approche de l’équipe d’Ames montre comment la conception peut accélérer les découvertes qui prenaient autrefois des années d’essais et d’erreurs. En s’appuyant sur cette collaboration entre calcul et expérimentation, des chercheurs du MIT ont fusionné l’apprentissage automatique (ML) avec l’impression 3D métallique² pour concevoir un alliage à base d’aluminium dont les pièces imprimées égalent la résistance du 7075 forgé — et, après un vieillissement à 400 °C, sont environ 50 % plus résistantes que le meilleur référentiel d’aluminium imprimable.

Pour créer ce nouveau métal, l’équipe a mélangé de l’aluminium avec d’autres éléments identifiés grâce aux simulations et à l’apprentissage automatique.

Les chercheurs espèrent transformer leur nouveau métal imprimable en produits plus résistants, plus légers et résistants à la température, comme des aubes de ventilateur dans les moteurs à réaction, qui sont actuellement fabriquées avec du titane plus coûteux et plus lourd.

“Si nous pouvons utiliser un matériau plus léger et à haute résistance, cela permettrait d’économiser une quantité considérable d’énergie pour l’industrie du transport,” a déclaré la responsable de l’étude Mohadeseh Taheri-Mousavi, actuellement professeure assistante à l’Université Carnegie Mellon.

Outre l’industrie aérospatiale et du transport, les chercheurs envisagent que leur alliage imprimable soit utilisé dans les dispositifs de refroidissement pour les centres de données et les automobiles haut de gamme. Leur travail souligne comment la fabrication additive et la conception d’alliages guidée par l’IA se conjuguent pour créer des matériaux plus légers, plus résistants et plus thermiquement efficaces, des propriétés essentielles pour les futurs systèmes de propulsion à réaction et d’énergie.

Dans une autre partie du monde, le fabricant turc de moteurs aérospatiaux TEI a déclaré développer plus de 20 superalliages et alliages de titane uniques destinés à la technologie des moteurs d’avions de combat et d’hélicoptères.

Les guerres se gagnent désormais dans les laboratoires et les usines. La technologie que vous produisez détermine le destin de la guerre.

– Directeur général de TEI Mahmut Faruk Aksit

Avec des températures à l’intérieur des moteurs d’avion atteignant des niveaux extrêmement élevés, « la moitié de la température de la surface du soleil », il faut des métaux capables de fonctionner dans une chaleur aussi extrême. Cela rend les « systèmes de refroidissement, les revêtements spéciaux et les technologies de matériaux » d’une importance cruciale, a-t-il ajouté.

Un élan similaire se développe en Chine, où des chercheurs travaillent actuellement sur une nouvelle technique de refroidissement des superalliages afin d’améliorer les performances et la durabilité des composants de turbines à haute température, ce qui pourrait permettre des moteurs à réaction avancés.

Des chercheurs chinois ont également créé une nouvelle technique de production de pales de turbine en alliage capables de résister à des températures jusqu’à 15 % supérieures à celles des versions existantes. Cette résistance thermique accrue devrait offrir une poussée moteur plus importante, une meilleure efficacité énergétique et une durée de vie prolongée.

“Cette méthode intègre une structure composite cuivre-magnésium-acier à l’intérieur de la pale en utilisant des techniques de traitement thermo-mécanique,” indique le brevet de la technologie. “Cela permet à la pale de maintenir une fonctionnalité à long terme sous des conditions de haute température extrême.”

L’utilisation de la conductivité thermique du cuivre et de la résistance à la chaleur de l’acier rend le composite adapté aux futures applications dans les aéronefs et les chambres de combustion de moteurs de fusée. Ainsi, les scientifiques du monde entier travaillent à améliorer divers aspects des moteurs à réaction, contribuant à révolutionner l’aviation et la production d’énergie.

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Investir dans l’avancement des moteurs à réaction 

Entreprise aérospatiale et de défense, Raytheon Technologies (RTX ), est l’un des principaux investisseurs mondiaux dans les matériaux avancés et l’innovation en propulsion via sa filiale Pratt & Whitney. Cette division fournit des moteurs d’avion aux clients militaires, d’avions d’affaires, commerciaux et d’aviation générale.

Elle possède deux autres divisions : Collins Aerospace fournit des produits aérospatiaux et de défense technologiquement avancés ainsi que des solutions de services après-vente, et Raytheon développe des capacités avancées en défense aérienne et missile, armes intelligentes, et autres.

L’entreprise finance régulièrement et collabore avec des initiatives de recherche académiques et gouvernementales afin de développer des matériaux à plus haute efficacité et à plus haute température pour les moteurs à réaction de prochaine génération. Elle explore les alliages réfractaires, les composites à matrice céramique (CMCs) et les techniques de fabrication additive.

Avec une capitalisation boursière de 239,5 milliards de dollars, RTX se négocie actuellement à 178,75 $, en hausse de 54,38 % cette année à ce jour. La semaine dernière, les actions de RTX ont atteint un record historique (ATH) de 180,50 $. Il y a seulement deux ans, le cours de l’action était inférieur à 100 $.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, RTX a déclaré des ventes de 22,5 milliards de dollars pour le troisième trimestre 2025, soit une hausse de 12 % par rapport à l’année précédente.

Le segment Pratt & Whitney a affiché un bénéfice d’exploitation de 751 millions de dollars, en hausse de 35 %, et des ventes ajustées de 8,42 milliards de dollars, en hausse de 16 % par rapport à l’année précédente. Cette croissance des ventes a été menée par une augmentation de 23 % du marché de l’après-vente commercial, stimulée par un volume plus élevé tant d’engines commerciaux de grande taille que de Pratt Canada, un bond de 15 % dans le secteur militaire dû au programme F135, et une hausse de 5 % du marché OE commercial suite à une augmentation du volume des gros moteurs commerciaux.

Parallèlement, son fournisseur d’avionique et d’autres systèmes d’avion, Collins Aerospace, a vu son chiffre d’affaires augmenter de 8 % pour atteindre 7,62 milliards de dollars, la croissance provenant des ventes militaires, de l’équipement d’origine pour les nouveaux jets et des achats de réparations et de pièces supplémentaires par les compagnies aériennes. Le chiffre d’affaires de Raytheon a bondi de 10 % à 7,05 milliards de dollars, la demande pour ses systèmes de défense aérienne et ses programmes navals restant forte.

Le BPA GAAP de l’entreprise était de 1,41 $, et le BPA ajusté de 1,70 $. Le flux de trésorerie d’exploitation du trimestre était de 4,6 milliards de dollars, et le flux de trésorerie disponible de 4 milliards de dollars. Elle a également déclaré un carnet de commandes de 251 milliards de dollars, dont 148 milliards de dollars en commercial et 103 milliards de dollars en défense.

« Une exécution solide au troisième trimestre nous a permis de livrer une croissance organique à deux chiffres des ventes dans les trois segments et notre sixième trimestre consécutif d’expansion de la marge segmentaire ajustée d’une année sur l’autre, » a déclaré le PDG Chris Calio. « Nous avons également reçu 37 milliards de dollars de nouveaux contrats au cours du trimestre, reflétant une demande mondiale robuste pour nos produits et soutenant la croissance à long terme de RTX. »

RTX a remboursé 2,9 milliards de dollars de dette au troisième trimestre et a restitué 900 millions de dollars aux actionnaires.

Sur la base de ces performances et de la « force de la demande continue », l’entreprise a relevé ses prévisions annuelles tout en soulignant son engagement à « exécuter notre carnet de commandes de 251 milliards de dollars et à augmenter notre production pour soutenir le lancement des programmes critiques, tout en investissant dans les produits et services de prochaine génération répondant aux besoins de nos clients ».

Dernières actualités boursières et développements de Raytheon Technologies (RTX)

Conclusion

Les alliages à haute température jouent un rôle essentiel dans la science des matériaux et la technologie énergétique. La quête mondiale d’efficacité et de durabilité implique la nécessité de matériaux capables de supporter des conditions extrêmes, une demande qui ne cesse de croître.

Pendant des décennies, les superalliages à base de nickel ont été le choix standard pour les pièces de turbines et de moteurs à réaction. Mais ils atteignent leurs limites. C’est pourquoi la récente découverte d’un alliage Cr-Mo-Si ductile et résistant à l’oxydation suscite tant d’enthousiasme. Si les chercheurs parviennent à développer et à mettre à l’échelle la production, ces alliages réfractaires de nouvelle génération pourraient révolutionner l’aérospatiale, permettant aux moteurs à réaction de fonctionner à des températures bien supérieures à ce qui est possible aujourd’hui. Les applications potentielles ne s’arrêtent pas là, car cela pourrait ouvrir la voie à la production d’énergie, au chauffage industriel et même à la propulsion spatiale.

Bien sûr, passer de la découverte en laboratoire à la réalité commerciale n’est jamais simple. Les scientifiques devront affiner la composition de l’alliage, résoudre les défis de fabrication et développer des méthodes de production à grande échelle. Mais même avec ces obstacles, cette percée ouvre de nouvelles perspectives prometteuses pour l’ingénierie à haute température.

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Références

1. Hinrichs, F., Winkens, G., Kramer, L. K., Falcão, G., Hahn, E. M., Schliephake, D., Eusterholz, M. K., Sen, S., Galetz, M. C., Inui, H., Kauffmann, A., & Heilmaier, M. (2025). A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation. Nature, 646, 331–337. https://www.securities.io/nyse/rtx/
2. Taheri-Mousavi, S. M., Xu, M., Hengsbach, F., Houser, C., Ge, Z., Glaser, B., Wei, S., Schaper, M., LeBeau, J. M., Olson, G. B., & Hart, A. J. (2025). Additively Manufacturable High-Strength Aluminum Alloys with Coarsening-Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification. Advanced Materials. https://www.securities.io/investing-in-titanium/