3D

Un nouvel alliage métallique haute performance, appelé superalliage, pourrait contribuer à accroître l’efficacité des turbines utilisées dans les centrales électriques ainsi que dans les industries aérospatiale et automobile.

Créé à l'aide d'une imprimante 3D, le superalliage est composé d'un mélange de six éléments qui forment ensemble un matériau à la fois plus léger et plus résistant que les matériaux standard utilisés dans les machines à turbine conventionnelles. Ce superalliage solide pourrait aider les industries à réduire à la fois leurs coûts et leurs émissions de carbone – si l’approche peut être étendue avec succès.

Le défi: Dans le monde de la science des matériaux, la recherche de nouveaux alliages métalliques s’est intensifiée ces dernières années. Depuis plus d'un siècle, nous dépendons d'alliages relativement simples comme l'acier, composé à 98 % de fer, pour constituer l'épine dorsale de nos industries manufacturières et de la construction. Mais les défis d'aujourd'hui exigent davantage : des alliages capables de résister à des températures plus élevées et de rester solides sous contrainte, tout en restant légers.

Les ingénieurs tentent depuis longtemps d’optimiser les matériaux utilisés dans les turbines – les machines à filer des centrales électriques qui aident à convertir l’énergie mécanique en électricité. Mais même les matériaux les plus modernes, comme les superalliages à base de nickel et de cobalt, ont tendance à se dégrader et à moins bien fonctionner lorsqu’ils sont exposés à des températures extrêmement élevées.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les scientifiques ont passé les deux dernières décennies à expérimenter des alliages complexes, certains comprenant jusqu'à six métaux différents. En modifiant les proportions exactes des éléments qui composent un superalliage, les scientifiques espèrent que de nouvelles interactions à l’échelle atomique se produiront, conduisant à la découverte de propriétés bénéfiques. Cependant, avec une combinaison presque infinie d’éléments dans des proportions différentes, l’optimisation de ces alliages pour des applications spécifiques présente un défi de taille.

L'innovation : Une approche prometteuse est l’utilisation de la technologie d’impression 3D. Cette méthode permet aux chercheurs de contrôler avec précision les proportions relatives de différents métaux. Ils y parviennent en faisant fondre rapidement les métaux sous forme solide et en poudre à l’aide d’un laser puissant, puis en les déposant en fines couches.

Une équipe de chercheurs dirigée par Andrew Kustas des Sandia National Laboratories, à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, a utilisé cette technique pour développer un superalliage à six éléments hautes performances. L'alliage – composé de 42 % d'aluminium, 25 % de titane, 13 % de niobium, 8 % de zirconium, 8 % de molybdène et 4 % de tantale – est solide, léger et incroyablement résistant à la chaleur.

Ces caractéristiques sont particulièrement importantes pour les turbines utilisées dans les centrales électriques, qui représentent environ 73 % de toute la production d'électricité dans le monde. Après tout, plus la température du gaz qui entraîne les turbines est élevée, plus elles tournent vite et plus elles deviennent efficaces.

Lorsqu'il est chauffé à 800 °C (1 472 °F) – une température courante dans les turbines des centrales électriques – ce superalliage est resté plus résistant et plus léger que beaucoup d'autres conçus dans un but similaire. Cette avancée suggère des applications potentielles au-delà des turbines de puissance, en particulier dans l'aérospatiale où les matériaux doivent être solides, légers et résistants aux variations extrêmes de température.

Les chercheurs ont également découvert que les performances du superalliage étaient corrélées aux prédictions générées à partir d’un modèle informatique conçu pour prédire comment des combinaisons particulières d’éléments conduiraient l’énergie thermique. Ces prédictions suggèrent que les futurs modèles informatiques pourraient aider à prédire quelles combinaisons d’éléments sont susceptibles de donner naissance à de nouveaux superalliages utiles.

Pour introduire le superalliage récemment créé dans la fabrication grand public, l'équipe espère trouver un moyen d'augmenter économiquement son processus d'impression 3D tout en garantissant que les produits finis ne contiennent pas de fissures à micro-échelle, ce qui pourrait s'avérer difficile à réaliser à plus grande échelle. . Surmonter ces défis pourrait contribuer à rendre les machines qui alimentent notre vie quotidienne à la fois plus solides, plus efficaces et moins dommageables pour l’environnement.