Des scientifiques japonais ont identifié un métal qui peut résister à des forces constantes à des températures ultra-élevées, offrant des applications prometteuses, notamment dans les moteurs d'avions et les turbines à gaz pour la production d'électricité.

La première étude du genre, publié dans la revue en libre accès Rapports scientifiques en juillet 2018, décrit un carbure de titane (TiC) renforcé, alliage à base de molybdène-silicium-bore (Mo-Si-B), ou MoSiBTiC, dont la résistance à haute température a été identifiée sous des forces constantes dans les plages de température de 1400 ^o C-1600 ^o C.

"Nos expériences montrent que l'alliage MoSiBTiC est extrêmement résistant par rapport aux superalliages monocristallins de pointe à base de nickel, qui sont couramment utilisés dans les sections chaudes des moteurs thermiques tels que les moteurs à réaction d'avions et les turbines à gaz pour la production d'énergie électrique, ", a déclaré l'auteur principal, le professeur Kyosuke Yoshimi de la Graduate School of Engineering de l'Université de Tohoku.

"Ce travail suggère que le MoSiBTiC, comme matériaux à ultra haute température au-delà des superalliages à base de nickel, est un candidat prometteur pour ces applications, " ajouta Yoshimi.

Yoshimi et ses collègues rapportent plusieurs paramètres qui mettent en évidence la capacité favorable de l'alliage à résister aux forces perturbatrices sous des températures ultra-élevées sans se déformer. Ils ont également observé le comportement de l'alliage lorsqu'il est exposé à des forces croissantes et lorsque des cavités au sein de MoSiBTiC se sont formées et ont augmenté, entraînant des microfissures et une rupture finale.

Les performances des moteurs thermiques sont essentielles à la future récolte d'énergie à partir de combustibles fossiles et à la conversion ultérieure en énergie électrique et en force de propulsion. L'amélioration de leur fonctionnalité peut déterminer leur efficacité en termes de conversion d'énergie. Le comportement au fluage - ou la capacité du matériau à résister aux forces sous des températures ultra-élevées - est un facteur important car l'augmentation des températures et des pressions entraîne une déformation par fluage. Comprendre le fluage du matériau peut aider les ingénieurs à construire des moteurs thermiques efficaces capables de résister aux environnements à températures extrêmes.

Les chercheurs ont évalué le fluage de l'alliage dans une plage de contraintes de 100 à 300 MPa pendant 400 heures. (MPa, ou mégapascal, est une unité utilisée pour mesurer une pression extrêmement élevée. Un MPa équivaut à environ 145 psi, ou livre par pouce carré).

Toutes les expériences ont été réalisées dans un banc d'essai contrôlé par ordinateur sous vide afin d'empêcher le matériau de s'oxyder, ou réagissant avec l'humidité potentielle de l'air, ce qui pourrait finalement entraîner la formation de rouille.

Par ailleurs, l'étude rapporte que, contrairement aux études précédentes, l'alliage subit un allongement plus important avec des forces décroissantes. Ce comportement, ils écrivent, n'a jusqu'à présent été observé qu'avec des matériaux superplastiques capables de résister à une défaillance prématurée inattendue.

Ces résultats sont un indicateur important de l'applicabilité de MoSiBTiC dans les systèmes qui fonctionnent à des températures extrêmement élevées, tels que les systèmes de conversion d'énergie dans les applications automobiles, centrales électriques, et les systèmes de propulsion dans les moteurs d'avions et les fusées. Les chercheurs disent que plusieurs analyses microstructurales supplémentaires sont nécessaires afin de bien comprendre la mécanique de l'alliage et sa capacité à se remettre d'une exposition à des contraintes élevées telles que des forces importantes sous des températures élevées.

Ils espèrent continuer à affiner leurs découvertes dans leurs projets futurs. "Notre objectif ultime est d'inventer un nouveau matériau à ultra haute température supérieur aux superalliages à base de nickel et de remplacer les aubes de turbine haute pression en superalliages à base de nickel par de nouvelles aubes de turbine de notre matériau à ultra haute température, " dit Yoshimi. " Pour y aller, comme prochaine étape, la résistance à l'oxydation du MoSiBTiC doit être améliorée par la conception de l'alliage sans détériorer ses excellentes propriétés mécaniques. Mais c'est vraiment difficile."