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

Des chercheurs ont développé un nouveau matériau avec une résistance à la température 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 ou 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 des températures élevées.

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, et une haute résistance à l’oxydation et à la corrosion.

Ces alliages ont été initialement développés pour les turbines d’avion, puis se sont étendus à de nombreuses autres applications exigeantes au fil du temps, notamment les turbines à gaz, les moteurs de fusée, 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. Le métal de transition argenté et brillant est connu pour son utilisation dans les alliages d’acier inoxydable. Il joue réellement un rôle important dans la densité énergétique et les performances des batteries, permettant des capacités d’autonomie 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, ainsi améliorant l’efficacité opérationnelle et la sécurité.

Les superalliages à base de nickel sont en fait les plus largement utilisés pour les parties les plus chaudes, représentant plus de 50 % du poids des moteurs d’avion avancés, grâce à leur résistance exceptionnelle contre le fluage et 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 multi-composants 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 leurs propres limites, toutefois, notamment le coût élevé, la difficulté d’usinage due au durcissement à froid et la faible conductivité thermique, ainsi que la susceptibilité aux fissures lors du soudage et de la fabrication additive. Ils peuvent également souffrir d’oxydation et peuvent connaître une dégradation des propriétés mécaniques en raison de la formation de précipités indésirables.

« Les superalliages existants sont composés de nombreux éléments métalliques différents, dont certains sont rares, ce qui leur permet de combiner plusieurs propriétés. Ils sont ductiles à température ambiante, stables à haute température et résistants à l’oxydation. »

– Professeur Martin Heilmaier de l’Institut des matériaux appliqués, sciences 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 le plein potentiel d’une plus grande efficacité dans les turbines ou d’autres applications à haute température. Le fait est que l’efficacité des processus de combustion augmente avec la température.” 

Pour supprimer ces limitations, la Fondation allemande pour la recherche (DFG) a fourni un financement, et les chercheurs ont réussi développé¹ un nouvel alliage de chrome (Cr), molybdène (Mo), et 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 resteront nécessaires, du moins pendant les décennies à venir.

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Les avions à propulsion électrique, a noté Heilmaier, « ne seront guère adaptés aux vols long-courriers dans les décennies à venir. 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 à partir de 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 comprend un manque de résistance à l’oxydation et/ou de ductilité à température ambiante (RT). 

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 des 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.

Publié 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 monocristallin Cr-36.1Mo-3Si.

L’alliage à base de métal réfractaire « est ductile à température ambiante, son point de fusion est d’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 en matière d’oxydation, limitant leur application. Alors que le Cr conduit à la formation d’une couche protectrice 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 monocristallines désordonnées.

Avec ses propriétés incomparables, « 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 traverser « 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 à briser les barrières de température et de durabilité des superalliages traditionnels à base de nickel, des percées similaires prennent forme à travers le monde.

Plus tôt cette année, une équipe du Ames National (ATLO ) Laboratory ont découvert un nouvel alliage pour potentiellement remplacer les superalliages à base de nickel et de cobalt, dont les limites de tolérance à la chaleur améliorent 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 le façonnage de ces métaux en pièces constituent un problème complexe.

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

« Nous avons compris que combiner de nombreux éléments purs autrement fragiles en quantités significatives 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 ensemble signifie « des millions de combinaisons à explorer », ce qui est 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 trouver les matériaux et leur composition, les chercheurs ont utilisé un cadre computationnel, qui a été développé par deux scientifiques du Ames Lab, Prashant Singh et Duane Johnson.

« Nous avons mis au point 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 dans ces matériaux. »

– Johnson

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

L’approche de l’équipe d’Ames montre comment la conception peut accélérer des 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 combiné 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 alliage d’aluminium imprimable. 

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

Les chercheurs espèrent que leur nouveau métal imprimable devienne plus résistant, plus léger, et résistant aux températures, pour des produits tels que les ailettes de ventilateur dans les moteurs à réaction, qui sont 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, désormais professeure assistante à l’Université Carnegie Mellon.

En plus de l’industrie aérospatiale et du transport, les chercheurs envisagent que leur alliage imprimable soit utilisé dans des 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 efficaces thermiquement, des propriétés essentielles pour la propulsion à réaction du futur et les systèmes énergétiques,

Dans une autre partie du monde, le fabricant turc de moteurs aérospatiaux TEI a rapporté développer plus de 20 superalliages et alliages de titane uniques pour une utilisation dans 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 sort 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 des matériaux d’une importance cruciale », a-t-il ajouté.

Un élan similaire se développe en Chine, où les chercheurs actuellement travaillent sur une nouvelle technique de refroidissement des superalliages pour améliorer la performance et la durabilité des composants de moteurs à turbine à haute température, ce qui peut permettre des moteurs à réaction avancés.

Les chercheurs chinois ont également créé une nouvelle technique pour produire des aubes de turbine en alliage capables de résister à des températures jusqu’à 15 % supérieures aux versions existantes. Cette résistance accrue à la chaleur devrait offrir une poussée moteur plus importante, une meilleure efficacité énergétique et une durée de vie plus longue.

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

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 avions et les chambres de combustion des moteurs de fusée. Ainsi, c’est ainsi que 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. Ce segment fournit des moteurs d’avion aux clients militaires, d’avions d’affaires, commerciaux et d’aviation générale.

Il possède deux autres segments: Collins Aerospace fournit des produits aérospatiaux et de défense technologiquement avancés ainsi que des solutions de service 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 dans le but 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 jusqu’à présent. 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 de la société était inférieur à 100 $.