Les super matériaux pour les turbines à gaz

Les turbines à gaz, que ce soit les machines des réacteurs d'avion ou celles développées pour la production électrique sont soumises à de nombreux challenges, notamment des contraintes thermiques fortes.

Turbine à gaz GE

En effet, le rendement d'un cycle gaz augmente lorsque la température maximale du cycle augmente : la quantité d'énergie dans les gaz de combustion au point d'entrée de la turbine est ainsi d'autant plus élevée et la chute d'enthalpie lors de la détente accrue. Ainsi les machines exploitées pour la production électrique mettent en jeu des niveaux très élevés de température flirtant avec les 1450 °C : c'est exactement la fenêtre de températures correspondant à la fusion de différentes nuances d'aciers.

Ainsi, les premières rangées d'aubes des turbines à gaz doivent pouvoir résister : - aux sollicitations mécaniques fortes : contraintes centrifuges dues à l'écoulement des gaz à haute pression, - aux températures très élevées, - à un environnement agressif.

Le design des matériaux doit donc permettre de résister à tout cela en même temps. Par rapport aux contraintes mécaniques, les alliages à base de Ni sont ceux qui répondent bien à la problématique : ils possèdent d'excellentes propriétés liées à leur microstructure. Néanmoins, ces super alliages ont un point de fusion légèrement plus bas que les aciers plus classiques.

Pour la tenue en température des aubes, les fabricants ont généralement recours à un revêtement céramique sur les parties les plus sensibles jouant le rôle de barrière thermique. Il peut aussi être question d'un refroidissement par passage d'air frais dans des canaux internes usinés dans les aubes.

Aube d'une turbine à gaz : des canaux y ont été usinés de façon à refroidir les parties soumises aux fortes températures.

Plongée dans la microstructure

Sur la base du moulage "classique" à partir de l'alliage en phase liquide, le matériau obtenu est polycristallin, c'est-à-dire constitué d'une juxtaposition de petits cristaux, chacun possédant sa propre organisation d'atomes. Et c'est justement cela qui pose problème : chaque cristal crée inévitablement une frontière avec ses voisins. L'ensemble de ces frontières constitue les joints de grain : ils sont le talon d'Achille du matériau. Aux joints de grain, sous l'effet des différentes contraintes, plusieurs phénomènes opèrent et remettent en cause la longévité du matériau (glissement des grains les uns par rapport aux autres, zone d'action d'attaques chimiques, cavitation intergranulaire, fissuration aux joints de grain...) : c'est à ce niveau que s'amorce le fluage, et/ou la corrosion.

Les joints de grains et les multiples cristaux juxtaposés

Alors que faire ? Mieux comprendre les phénomènes mis en jeu au niveau des joints de grain pour tenter de les contrer ? Effectivement, il est essentiel d'étudier ces aspect-là. Mais les innovations et recherches actuelles visent, tout simplement, à réduire, voire supprimer la présence de joints de grain. Voyons comment.

Le développement de super alliages, nous parlons ici des toutes dernières générations, s'appuie sur deux approches : - la recherche de la composition chimique optimale,

- l'innovation dans les procédés de fabrication.

Ainsi, par exemple, en contrôlant précisément la distribution de température et la vitesse de refroidissement (et donc le processus de solidification) autour du moule des aubes des turbines, il est possible "d'orienter" les cristaux formés de façon à ce qu'ils grandissent tous dans une même direction, selon un axe précis : c'est la technique de solidification unidirectionnelle. Les matériaux sont alors constitués de grains colonnaires qui s'alignent le long de l'axe de plus forte contrainte.

Mais le vrai gain en performance est obtenu lorsqu'il n'y a plus de joints de grains : il s'agit alors de fabriquer une aube de turbine possédant une structure de type "monocristal" : la dernière génération de superalliage.

La maîtrise de la fusion des différents constituants de l'alliage (une forte homogénéité est visée) puis de la vitesse de solidification, et du profil de température autour de la pièce sont des conditions primordiales pour favoriser la croissance cristalline à partir d'un germe. L'arrangement des atomes au sein de la pièce est alors parfaitement uniforme.

Evolution des matériaux employés pour les aubes de turbines à gaz

Le fait d'avoir supprimé les joints de grain est un gros atout : un gain substantiel dans la résistance au fluage est obtenu et une résistance à la corrosion multipliée par 3.