Céramiques eutectIques pour Nouvelle Aube de Turbine à Rendement Amélioré – CiNATRA

Ce projet vise au développement de nouvelles aubes de turbine à gaz fonctionnant à très haute température et à la mise au point d’un procédé permettant de les fabriquer à l’échelle industrielle.
Dans le contexte général lié aux économies d’énergie, l’amélioration sensible du rendement des turbines à gaz (aéronautiques ou terrestres) nécessitera d’augmenter notablement la température des gaz de combustion. Cela implique l’emploi de matériaux stables au delà de 1500°C. Les aubes de turbine, pièces soumises aux plus hautes températures dans les turboréacteurs, sont actuellement constituées de superalliages base nickel monocristallins qui arrivent à leur limite de fonctionnement (1050-1100°C). Les céramiques oxydes peuvent être une alternative présentant l’avantage d’être plus légères et plus réfractaires que les superalliages mais, cependant, elles demeurent fragiles comparées aux métaux et alliages et voient leurs performances mécaniques chuter rapidement au delà de 1300°C du fait principalement de phénomènes de glissement aux joints de grains. A cet effet, l’utilisation de matériaux monocristallins pourrait ouvrir la voie à de nouvelles perspectives. Les composés eutectiques à base d’oxydes réfractaires élaborés par solidification dirigée apparaissent comme une solution potentielle. Nos études récentes montrent que, pour certaines compositions, il est possible d’obtenir des microstructures très spécifiques, dites imbriquées, sans joint de grains, qui confèrent au matériau des propriétés mécaniques remarquables (tenue au fluage, résistance à la rupture) qui restent quasi constantes jusqu’à 1700°C. Leur mise en œuvre, pour ces parties chaudes de moteurs constituerait une réelle innovation et une avancée technologique considérable en termes de rendement moteur et allègement.
Les objectifs de ce projet qui se veut innovant à la fois sur le type de matériaux envisagés et sur le moyen de les fabriquer jusqu’alors jamais utilisé pour de tels composés, seront :
- De mettre au point un procédé de croissance cristalline assurant une bonne reproductibilité des performances des céramiques préparées dans des conditions industrielles, en imposant si possible, aux pièces élaborées une géométrie permettant de minimiser les opérations ultérieures d’usinage trop complexes.
- D’optimiser les compositions et les microstructures répondant aux besoins liés aux conditions d’utilisation de ces aubes de turbine.
Le mode d'élaboration choisi, sera un procédé déjà développé par RSA pour la production de monocristaux de saphir mais qui devra être complètement adapté à la croissance de ces composites "in situ". Il s'appuiera sur les résultats déjà obtenus par les différents partenaires du projet dans des études récentes utilisant d'autres méthodes de croissance et sur des travaux spécifiques développés au cours de CiNATRA visant à optimiser les conditions de croissance et à permettre la fabrication de pièces céramiques de dimensions importantes.
Plusieurs compositions eutectiques binaires ou ternaires ont d’ores et déjà été explorées et élaborées par d’autres procédés. Des études seront engagées afin, soit d'optimiser ces compositions, soit de proposer de nouveaux systèmes d'oxydes conduisant à des microstructures permettant d'obtenir les propriétés d'usage pour des applications aubes de turbine. Le comportement mécanique à haute température (résistance mécanique, ténacité, tenue au fluage et au choc thermique) sera étudié ainsi que les phénomènes mis en jeu au cours des sollicitations mécaniques. La résistance aux atmosphères corrosives rencontrées dans les chambres de combustion ainsi que les mécanismes de dégradation éventuelle seront également étudiés afin de proposer les solutions qui apparaîtront nécessaires pour limiter l'endommagement.