Un nouvel alliage métallique résistant aux conditions extrêmes
L'occasion d'un saut technologique
Un nouveau matériau pourrait contribuer à réduire les combustibles fossiles consommés par les moteurs d'avion et les turbines à gaz à l'avenir. Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) a mis au point un alliage métallique réfractaire aux propriétés inégalées à ce jour. Cette nouvelle combinaison de chrome, de molybdène et de silicium est ductile à température ambiante. Avec une température de fusion d'environ 2 000 degrés Celsius, il reste stable même à haute température et résiste à l'oxydation. Les résultats sont publiés dans la revue "Nature".
Les moteurs d'avion, les turbines à gaz, les appareils à rayons X et de nombreuses autres applications techniques nécessitent des matériaux métalliques résistants aux températures élevées. Les métaux réfractaires tels que le tungstène, le molybdène et le chrome, dont le point de fusion se situe autour ou au-dessus de 2 000 degrés Celsius, sont les plus résistants aux températures élevées. Leur application pratique présente toutefois des limites : Ils sont fragiles à température ambiante et, au contact de l'oxygène, ils commencent à s'oxyder, entraînant une défaillance en peu de temps, dès des températures de 600 à 700 degrés Celsius. Ils ne peuvent donc être utilisés que dans des conditions de vide techniquement complexes, par exemple comme anodes rotatives pour les rayons X.
En raison de ces difficultés, les superalliages à base de nickel sont utilisés depuis des décennies dans les composants exposés à l'air ou aux gaz de combustion à des températures élevées. Ils sont utilisés, par exemple, comme matériaux standard pour les turbines à gaz. "Les superalliages existants sont composés de nombreux éléments métalliques différents, y compris des éléments rarement disponibles, de sorte qu'ils combinent plusieurs propriétés. Ils sont ductiles à température ambiante, stables à haute température et résistants à l'oxydation", explique le professeur Martin Heilmaier de l'Institut des matériaux appliqués - Science et ingénierie des matériaux du KIT. "Cependant, et c'est là que le bât blesse, les températures de fonctionnement, c'est-à-dire les températures auxquelles ils peuvent être utilisés en toute sécurité, se situent dans une fourchette allant jusqu'à 1 100 degrés Celsius maximum. Cette température est trop basse pour exploiter tout le potentiel d'amélioration de l'efficacité des turbines ou d'autres applications à haute température. Le fait est que l'efficacité des processus de combustion augmente avec la température".
L'occasion d'un saut technologique
Cette limitation des matériaux disponibles aujourd'hui a été le point de départ du groupe de travail de M. Heilmaier. Au sein du groupe de formation à la recherche "Materials Compounds from Composite Materials for Applications in Extreme Conditions" (MatCom-ComMat), financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), les chercheurs ont réussi à développer un nouvel alliage composé de chrome, de molybdène et de silicium. Cet alliage réfractaire à base de métaux, dont le Dr Alexander Kauffmann, aujourd'hui professeur à l'université de la Ruhr à Bochum, a joué un rôle majeur dans la découverte, présente des propriétés inégalées jusqu'à présent. "Il est ductile à température ambiante, son point de fusion atteint environ 2 000 degrés Celsius et, contrairement aux alliages réfractaires connus à ce jour, il ne s'oxyde que lentement, même dans la plage de température critique. Cela nourrit l'idée de pouvoir fabriquer des composants adaptés à des températures de fonctionnement nettement supérieures à 1 100 degrés Celsius. Ainsi, le résultat de nos recherches a le potentiel de permettre un véritable saut technologique", déclare M. Kauffmann. Ceci est d'autant plus remarquable que la résistance à l'oxydation et la ductilité ne peuvent toujours pas être prédites de manière suffisante pour permettre une conception ciblée des matériaux - malgré les progrès considérables réalisés dans le domaine du développement des matériaux assisté par ordinateur.
Plus d'efficacité, moins de consommation
"Dans une turbine, une augmentation de température de seulement 100 degrés Celsius peut réduire la consommation de carburant d'environ 5 %", explique M. Heilmaier. Cela est particulièrement important pour l'aviation, car les avions fonctionnant à l'électricité seront difficilement utilisables pour les vols long-courriers dans les prochaines décennies. Une réduction significative de la consommation de carburant sera donc une question vitale. Les turbines à gaz stationnaires des centrales électriques pourraient également fonctionner avec des émissions de CO₂ plus faibles grâce à des matériaux plus robustes. Pour pouvoir utiliser l'alliage au niveau industriel, de nombreuses autres étapes de développement sont nécessaires", déclare Heilmaier. "Toutefois, grâce à notre découverte en recherche fondamentale, nous avons franchi une étape importante. Les groupes de recherche du monde entier peuvent maintenant s'appuyer sur cette réalisation."
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Publication originale
Frauke Hinrichs, Georg Winkens, Lena Katharina Kramer, Gabriely Falcão, Ewa M. Hahn, Daniel Schliephake, Michael Konrad Eusterholz, Sandipan Sen, Mathias Christian Galetz, Haruyuki Inui, Alexander Kauffmann, Martin Heilmaier; "A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation"; Nature, Volume 646, 2025-10-8
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