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Microstructure céramique pour aubes de turbine

Aubes de nouvelle génération en céramique eutectique
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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

Turbomachine
moteurs thermiques utilisant comme élément moteur une turbine
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
Barrière thermique
revêtement de basse conductibilité thermique destiné à protéger un substrat des hautes températures
Zircone
solide blanc, utilisé comme réfractaire (oxyde de zirconium)
Eutectique
caractérise un mélange de substances dont les phases solide et liquide, en équilibre, ont la même composition
Solidification dirigée
technique permettant d'obtenir un monocristal par croissance dans une direction privilégiée
Fluage
déformation que subit un matériau soumis à de très fortes contraintes