Les aubes de turbine à gaz d’aujourd’hui sont fabriquées par des procédés de coulée conventionnels dans lesquels le métal en fusion est versé dans des moules complexes et solidifié de manière directionnelle. Ces composants sont fabriqués à partir de certains des alliages métalliques les plus résistants à la chaleur sur Terre, car ils sont conçus pour tourner à grande vitesse dans des gaz extrêmement chauds, extrayant du travail pour générer de l’électricité dans les centrales électriques et propulser des moteurs à réaction.

Il existe un intérêt croissant pour la fabrication d’aubes de turbine par impression 3D, qui, en plus de ses avantages environnementaux et économiques, pourrait permettre aux fabricants de produire rapidement des géométries d’aubes plus complexes et économes en énergie. Mais les efforts pour imprimer en 3D des aubes de turbine n’ont pas encore franchi un obstacle de taille : le fluage.

En métallurgie, le fluage fait référence à la tendance d’un métal à se déformer de façon permanente face à des contraintes mécaniques persistantes et à des températures élevées. Alors que les chercheurs ont exploré l’impression d’aubes de turbine, ils ont découvert que le processus d’impression produit des grains fins de l’ordre de dizaines à des centaines de microns, une microstructure particulièrement vulnérable au fluage.

“En pratique, cela signifierait qu’une turbine à gaz aurait une durée de vie plus courte ou moins d’efficacité énergétique”, explique Zachary Cordero, professeur de développement de carrière Boeing en aéronautique et astronautique au MIT. “Ce sont des résultats coûteux et indésirables.”

Cordero et ses collègues ont trouvé un moyen d’améliorer la structure des alliages imprimés en 3D en ajoutant une étape de traitement thermique supplémentaire, qui transforme les grains fins du matériau tel qu’imprimé en grains “colonnaires” beaucoup plus gros – une microstructure plus robuste qui devrait minimiser le potentiel de fluage du matériau, puisque les “colonnes” sont alignées avec l’axe de plus grande contrainte. Les chercheurs disent que la méthode, décrite dans La fabrication additive, ouvre la voie à l’impression 3D industrielle d’aubes de turbines à gaz.

“Dans un avenir proche, nous envisageons que les fabricants de turbines à gaz impriment leurs aubes et aubes dans des usines de fabrication additive à grande échelle, puis les post-traitent à l’aide de notre traitement thermique”, déclare Cordero. “L’impression 3D permettra de nouvelles architectures de refroidissement qui peuvent améliorer l’efficacité thermique d’une turbine, de sorte qu’elle produise la même quantité d’énergie tout en brûlant moins de carburant et en émettant finalement moins de dioxyde de carbone.”

Les co-auteurs de Cordero sur l’étude sont l’auteur principal Dominic Peachey, Christopher Carter et Andres Garcia-Jimenez du MIT, Anugrahaprada Mukundan et Marie-Agathe Charpagne de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et Donovan Leonard du laboratoire national d’Oak Ridge.

Déclencher une transformation

La nouvelle méthode de l’équipe est une forme de recristallisation directionnelle – un traitement thermique qui fait passer un matériau à travers une zone chaude à une vitesse contrôlée avec précision pour fusionner les nombreux grains microscopiques d’un matériau en cristaux plus gros, plus robustes et plus uniformes.

La recristallisation directionnelle a été inventée il y a plus de 80 ans et a été appliquée aux matériaux corroyés. Dans leur nouvelle étude, l’équipe du MIT a adapté la recristallisation directionnelle pour les superalliages imprimés en 3D.

L’équipe a testé la méthode sur des superalliages à base de nickel imprimés en 3D, des métaux généralement coulés et utilisés dans les turbines à gaz. Dans une série d’expériences, les chercheurs ont placé des échantillons imprimés en 3D de superalliages en forme de tige dans un bain d’eau à température ambiante placé juste en dessous d’une bobine d’induction. Ils ont lentement tiré chaque tige hors de l’eau et à travers la bobine à différentes vitesses, chauffant considérablement les tiges à des températures variant entre 1 200 et 1 245 degrés Celsius.

Ils ont découvert que tirer les tiges à une vitesse particulière (2,5 millimètres par heure) et à une température spécifique (1 235 degrés Celsius) créait un gradient thermique abrupt qui déclenchait une transformation de la microstructure imprimée à grain fin du matériau.

“Le matériau commence par de petits grains avec des défauts appelés dislocations, qui ressemblent à des spaghettis mutilés”, explique Cordero. “Lorsque vous chauffez ce matériau, ces défauts peuvent s’annihiler et se reconfigurer, et les grains peuvent se développer. Nous allongeons continuellement les grains en consommant le matériau défectueux et des grains plus petits – un processus appelé recristallisation.”

S’éloigner

Après avoir refroidi les tiges traitées thermiquement, les chercheurs ont examiné leur microstructure à l’aide de la microscopie optique et électronique et ont découvert que les grains microscopiques imprimés du matériau étaient remplacés par des grains « colonnaires », ou de longues régions cristallines nettement plus grandes que les grains d’origine.

“Nous avons complètement transformé la structure”, déclare l’auteur principal Dominic Peachey. “Nous montrons que nous pouvons augmenter la taille des grains par ordre de grandeur, jusqu’à des grains colonnaires massifs, ce qui devrait théoriquement conduire à des améliorations spectaculaires des propriétés de fluage.”

L’équipe a également montré qu’elle pouvait manipuler la vitesse d’étirage et la température des échantillons de tiges pour adapter les grains de croissance du matériau, créant des régions de taille et d’orientation de grain spécifiques. Ce niveau de contrôle, dit Cordero, peut permettre aux fabricants d’imprimer des aubes de turbine avec des microstructures spécifiques au site qui résistent à des conditions de fonctionnement spécifiques.

Cordero prévoit de tester le traitement thermique sur des géométries imprimées en 3D qui ressemblent davantage à des aubes de turbine. L’équipe explore également des moyens d’accélérer le taux d’étirage, ainsi que de tester la résistance au fluage d’une structure traitée thermiquement. Ensuite, ils envisagent que le traitement thermique pourrait permettre l’application pratique de l’impression 3D pour produire des aubes de turbine de qualité industrielle, avec des formes et des motifs plus complexes.

“De nouvelles géométries de pales et d’aubes permettront des turbines à gaz terrestres plus économes en énergie, ainsi que, à terme, des moteurs d’avion”, note Cordero. “Cela pourrait, d’un point de vue de base, conduire à une réduction des émissions de dioxyde de carbone, simplement grâce à l’amélioration de l’efficacité de ces appareils.”

Cette recherche a été soutenue, en partie, par l’Office of Naval Research des États-Unis.