Des turbines plus efficaces
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L’évolution des turbines à gaz est étroitement liée au développement des alliages à teneur en nickelPar John MilneRevue Nickel, mars 2007 -- De nos jours, un turboréacteur contient environ 1,8 tonne d’alliages de nickel et est composé d’une longue liste d’alliages à teneur en nickel créés pour répondre à des besoins précis. La durée de vie utile d’un turboréacteur commercial moderne est d’environ 20 000 heures de fonctionnement entre les révisions de matériel, alors que celle des prototypes de la fin des années 1940 n’était que de cinq heures. Il y a soixante ans, l’Allemagne et l’Angleterre ont commencé à faire des essais de turboréacteurs à gaz, alors utilisés à titre de source d’énergie pour les aéronefs. Le principe était le suivant : l’air était comprimé dans les manches d’entrée de la turbine et était ensuite dirigé vers une chambre de combustion; là, le gaz chaud se dilatait sous l’effet de la combustion d’un carburant liquide; s’en suivait une détente du gaz qui entraînait la rotation de la partie chaude de la turbine et des manches d’entrée d’air. De nos jours, les turboréacteurs à gaz fonctionnent à peu près toujours de la même façon. La durée de vie utile des premières turbines à gaz était limitée à environ cinq heures, parce que les alliages d’acier qui étaient disponibles à l’époque ne pouvaient pas résister aux températures élevées (de 950 à 1 100 °C) existant dans la chambre de combustion du moteur à réaction. Ce dernier fonctionnait, mais son utilisation pratique était limitée par la corrosion des matériaux alors disponibles pour la fabrication des composantes de la partie chaude. Il aura fallu que des alliages améliorés soient conçus, pour que les turbines à gaz deviennent les turboréacteurs fiables et efficaces qu’ils sont de nos jours. En raison de sa résistance mécanique inhérente, de sa résistance à la corrosion et de son aptitude à s’allier à d’autres métaux, le nickel était le métal fondamental de choix dans le contexte du développement d’alliages améliorés destinés à la fabrication de turboréacteurs. Les métallurgistes des années 1940 et 1950 savaient déjà que les alliages de nickel-chrome et ceux de nickel-chrome-cobalt avaient une résistance mécanique plus élevée et étaient plus résistants à la corrosion de même qu’à l’oxydation que les alliages d’acier inoxydable généralement utilisés à l’époque. De tels matériaux étaient capables de prolonger la durée de vie utile des turbines à gaz. Les premiers alliages, tels que le N06600 (dont la teneur en nickel est de 72 %), ont incité les métallurgistes à mettre au point des alliages plus durables et efficaces pour les turboréacteurs. On peut se demander si le développement des alliages à teneur en nickel et des techniques de corroyage et de moulage qui les concernent a maintenant atteint un plateau. L’efficacité d’une turbine à gaz dépend de la différence entre la température de l’air à l’entrée, celle de l’air ambiant et celle de l’air comprimé dans la chambre de combustion. Plus la température de cette dernière est élevée, plus la quantité d’énergie produite par le carburant est considérable. C’est pourquoi nous avions besoin d’alliages capables de résister aux températures plus élevées de l’air dans la chambre de combustion. À mesure que l’industrie métallurgique évoluait, de nouveaux alliages étaient mis au point pour relever ce défi. Il s’agissait surtout d’alliages à teneur en nickel, additionnés de chrome et d’autres éléments dans le but de rehausser leur résistance mécanique ainsi que leur résistance à la corrosion et à l’oxydation, sous l’effet de températures élevées. Tout comme celle des turbines à gaz, l’évolution des alliages s’est faite en trois étapes. On a d’abord amélioré les alliages en augmentant leur teneur en nickel et en chrome à des fins de corroyage et de moulage, de même qu’au moyen de techniques de fusion sous vide permettant de réduire la formation d’oxydes nuisibles. Les chercheurs ont ensuite envisagé d’améliorer la composition des alliages. L’introduction d’éléments autres que le nickel, le chrome ou le cobalt dans la composition des alliages constituait l’étape suivante, dans l’optique du rendement à hautes températures. Plus particulièrement, l’ajout de tungstène, de vanadium, de molybdène et de niobium a mené à la création d’alliages complexes pouvant regrouper jusqu’à 12 éléments métalliques différents. Parmi les matériaux créés, se trouvait l’alliage N06102 (dont la teneur en nickel est de 68 %), qui possédait des propriétés très enviables dans le contexte des moteurs à réaction. Les améliorations qui ont été apportées aux techniques de fusion sous vide ont rendu possible la création de tels alliages, tout en permettant de maintenir la propreté des matériaux et l’homogénéité de leur microstructure. Par la suite, on a eu recours à des revêtements, notamment ceux constitués d’alumine (CoAl ou NiAl par exemple), qui pouvaient être appliqués aux composantes faites de l’alliage primaire et procurer à celles-ci une meilleure résistance à la corrosion ou à l’oxydation. Dans le cadre de la troisième étape, les composantes d’alliage coulé, telles que les aubes situées sur les roues de la partie chaude d’une turbine, représentaient un point faible, susceptible de causer une ségrégation aux joints de grain de certains éléments, pendant la solidification du métal liquide. Ce problème a été résolu par la mise au point de nouvelles techniques de fusion de ces aubes. Par exemple, la solidification directionnelle et la fonderie d’alliages à structure monocristalline ont permis aux turbines à gaz de fonctionner à des températures encore plus élevées, ce qui a amélioré le rendement du carburant. Aujourd’hui, nous attendons d’autres perfectionnements susceptibles de produire des turbines encore plus performantes. De tels progrès devront s’appuyer sur l’évolution constante des alliages à teneur en nickel. John Milne est un expert-conseil auprès du Nickel Institute. ILLUSTRATIONS : Rolls-Royce
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