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Microstructure céramique pour aubes de turbine

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Microstructure d'une céramique constituée d'un mélange d'alumine (en noir) et de pérovskite de gadolinium (en blanc) - Al2O3, GdAlO3. Le matériau obtenu par solidification dirigée à haute température (1800°C) se présente sous la forme d'un entrelacement tridimensionnel des deux phases monocristallines.

 

 

 

(N. Piquet - DMSC, M. Parlier - DMSC, L. Mazerolles - CNRS/CECM)

Pour atteindre des températures de gaz pouvant aller jusqu'à 1600°C dans les turbomachines (1) de nouvelle génération, la solution consiste à utiliser des aubes de turbine refroidies en superalliage (2) à base nickel qui doivent être également revêtues d'une barrière thermique (3) comme la zircone (4) .

Au-delà, pour des températures de fonctionnement plus élevées et sans faire appel à un refroidissement, une autre voie consiste à élaborer in-situ des céramiques à base de compositions eutectiques (5) d'oxydes en utilisant la technique de fusion et de solidification dirigée (6). La structure obtenue est constituée d'un entrelacement tridimensionnel de phases sous forme monocristalline et sans joint de grains, c'est à dire sans phase vitreuse et avec des interfaces cohérentes. Il en résulte une résistance mécanique quasi-constante jusqu'à la température de fusion, contrairement au cas des céramiques polycristallines dont la dégradation est croissante. De plus, une augmentation de la contrainte à rupture peut être obtenue en réduisant la taille caractéristique des deux réseaux sans pour autant diminuer la résistance au fluage (7). L'enjeu majeur consiste à trouver des associations de phases qui puissent remédier à la fragilité intrinsèque des céramiques ; c'est le cas notamment des oxydes à structure pérovskite qui présentent de la plasticité à haute température.

Les recherches en cours à l'Onera sont menées en collaboration avec le Centre d'Etudes de Chimie Métallurgique (CECM) de Vitry. Les compositions en cours d'investigation concernent essentiellement les systèmes eutectiques (fusion entre 1700 et 1900°C) combinant l'alumine (Al2O3) avec les oxydes de terres rares à structure pérovskite (XAlO3 ; X : Gd, Eu) ou grenat (Y3Al5O12 ; Y : Er, Dy, Yb). Des associations ternaires avec de la zircone sont également étudiées pour accroître la ténacité. Les études portent actuellement sur la relation microstructure - propriétés mécaniques et dans le futur sur la détermination complète des caractéristiques à haute température. Dans une phase ultérieure, des pièces de forme seront également élaborées afin de tester cette voie en ambiance turbomachine.

Lexique

  1. Turbomachine
    moteurs thermiques utilisant comme élément moteur une turbine
     
  2. Superalliage
    alliage d'une dizaine d'éléments métalliques et présentant une résistance à l'oxydation à haute température et des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles des meilleurs aciers
     
  3. Barrière thermique
    revêtement de basse conductibilité thermique destiné à protéger un substrat des hautes températures
     
  4. Zircone
    solide blanc, utilisé comme réfractaire (oxyde de zirconium)
     
  5. Eutectique
    caractérise un mélange de substances dont les phases solide et liquide, en équilibre, ont la même composition
     
  6. Solidification dirigée
    technique permettant d'obtenir un monocristal par croissance dans une direction privilégiée
     
  7. Fluage
    déformation que subit un matériau soumis à de très fortes contraintes

 

Microstructure du système Al2O3/Y3Al5O12 /ZrO2 (Y2O3)

Microstructure du système Al2O3/Y3Al5O12 /ZrO2 (Y2O3)

Microstructure du système Al2O3/Y3Al5O12 /ZrO2

 

 

Microstructure du système Al2O3/Y3Al5O12 /ZrO2

Microstructure du système Al2O3/GdAlO3

Microstructure du système Al2O3/GdAlO3

Microstructure du système Al2O3/DY3Al5O12

Microstructure du système Al2O3/DY3Al5O12

Microstructure du système Al2O3/Y3Al5O12

Microstructure du système Al2O3/Y3Al5O12

Microstructure du système Al2O3/Er3Al5O12 /ZrO2

Microstructure du système Al2O3/Er3Al5O12 avec fracture

Microstructure du système Al2O3/Er3Al5O12 avec fracture

14.12.2004