Nouveaux superalliages à haute entropie imprimables en 3D pour résister à la chaleur extrême
La recherche de matériaux capables de résister aux conditions extrêmes des moteurs à réaction et des turbines à gaz constitue une des préoccupations majeures de l’aérospatiale. Les superalliages à base de nickel, connus pour leur résistance et leur élasticité supérieures à haute température, ont représenté un pilier de ces applications au cours des dernières décennies. Cependant, la demande de températures opérationnelles plus élevées sur le terrain a poussé leurs performances jusqu’à un plafond thermique, ces températures se rapprochant du point de fusion de ces alliages. Les superalliages à base de cobalt ont récemment attiré l’attention en tant qu’alternative de choix. Grâce aux précipités gamma-prime (des précipités microscopiques et cohérents qui se forment au sein de la matrice cristalline) qui renforcent leur structure, ces alliages devraient surpasser les performances de leurs homologues à base de nickel dans les contextes de chaleur intense. Leur production est cependant semée d’embûches.
Combiner le meilleur des deux mondes
Financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet CNSTech a combiné la résistance du métal et du cobalt grâce à la métallurgie des poudres, qui consiste à mélanger, façonner et chauffer des poudres métalliques pour former un alliage solide. «Nous nous sommes concentrés sur la conception d’une nouvelle génération de superalliages, appelés superalliages à haute entropie», explique José Manuel Torralba, coordinateur du projet. L’objectif était de rendre ces métaux plus efficaces que ceux actuellement utilisés dans les scénarios de forte chaleur. «Nous avons cherché à résoudre certains problèmes courants rencontrés dans ces superalliages conventionnels à haute entropie en affinant les méthodes reposant sur les poudres et en améliorant leur fonctionnement avec les techniques d’impression 3D de pointe telles que la fusion laser sur lit de poudre», ajoute José Manuel Torralba.
Progrès dans le développement d’alliages à haute entropie
En tant que réalisation principale, citons la formulation de poudres d’alliage monophasées à haute entropie caractérisées par des températures de solvus gamma-prime élevées, importantes pour déterminer le point de fusion d’un composant donné dans un mélange de métaux. La connaissance de cette température permet de chauffer et de refroidir avec précision, et garantit qu’un métal spécifique présente une résistance exceptionnelle à la pression et à la chaleur. Parmi les autres réalisations, l’établissement de cartes de traitement optimisées pour une impression sans défaut (technologie de fabrication additive), ainsi qu’un frittage par décharge de plasma efficace, qui consiste à appliquer un courant électrique et une pression à des poudres pour former des matériaux solides (technologie de la métallurgie des poudres), sont également notables. Les recherches se sont par ailleurs concentrées sur l’identification de la manière dont l’arrangement et la distribution des atomes au sein d’un alliage, ou entropie configurationnelle, influencent les propriétés de cet alliage. Grâce à la collaboration avec des partenaires extérieurs, l’équipe a réalisé des progrès notables en affinant les méthodes de traitement et l’analyse de la caractérisation des matériaux.
Explorer une relation distincte
CNSTech a introduit de nouvelles conceptions d’alliages et des techniques de traitement des poudres spécifiquement adaptées aux superalliages à haute entropie, faisant ainsi progresser de manière significative la technologie actuelle. En appliquant des principes de haute entropie pour la conception des alliages et en utilisant des techniques de fabrication avancées, le projet a cherché à atteindre des températures de solvus gamma-prime plus élevées et à améliorer l’imprimabilité par rapport aux superalliages traditionnels. «Notre approche révolutionnaire repose sur l’hypothèse selon laquelle l’association de la forte entropie du mélange et de la température de solvus gamma-prime peut conduire à des améliorations remarquables», souligne José Manuel Torralba. Cette corrélation remet en question les stratégies conventionnelles de conception d’alliages, ce qui pourrait permettre de développer des matériaux aux propriétés exceptionnelles. Les répercussions sont considérables pour les composants aérospatiaux et les systèmes de production d’électricité, dont les matériaux doivent résister à des températures et à des contraintes extrêmes pendant leur fonctionnement.
Impact du projet
L’impact de CNSTech est multiple. «En établissant un lien entre l’entropie élevée du mélange et l’amélioration des performances des superalliages, CNSTech ouvre de nouvelles voies de recherche dans diverses familles d’alliages, au-delà de ce qui avait été envisagé au départ. Par exemple, l’application de concepts similaires à différents types d’acier va bien au-delà des alliages traditionnels à haute entropie basés sur des éléments principaux multiples», déclare José Manuel Torralba. Cette approche fait progresser la science des matériaux en approfondissant la compréhension de la thermodynamique des superalliages à haute entropie et de ses implications pratiques dans la conception des alliages. En fin de compte, il promet d’améliorer les performances et l’efficacité des moteurs aérospatiaux et des systèmes de production d’électricité grâce à la mise au point de nouveaux superalliages à haute entropie dotés de propriétés supérieures.
Mots‑clés
CNSTech, aérospatiale, superalliages à haute entropie, production d’électricité, température de solvus gamma, nickel, cobalt, impression 3D, métallurgie des poudres
