Les turbines à gaz sont largement utilisées pour la production d'électricité et la propulsion des avions. Selon les lois de la thermodynamique, plus la température d'un moteur est élevée, plus son rendement est élevé. En raison de ces lois, il existe un intérêt croissant pour l'augmentation de la température de fonctionnement des turbines.

Une équipe de chercheurs du département de science et d'ingénierie des matériaux de la Texas A&M University, en collaboration avec des chercheurs du laboratoire national d'Ames, a développé un cadre d'intelligence artificielle capable de prédire les alliages à haute entropie (HEA) qui peuvent résister à des températures extrêmement élevées et des environnements oxydants. . Cette méthode pourrait réduire considérablement le temps et les coûts de recherche d'alliages en diminuant le nombre d'analyses expérimentales nécessaires.

Cette recherche a récemment été publiée dans Material Horizons .

Dans des conditions prolongées de haute température, les aubes de turbine peuvent entraîner une défaillance catastrophique due à la fusion ou à l'oxydation. Malheureusement, les matériaux actuels des aubes de turbine ont déjà atteint leur limite opérationnelle.

Les progrès techniques tels que les revêtements et les canaux de refroidissement ont retardé le besoin de changer les matériaux utilisés pour les turbines. Cependant, le volume des voyages aériens devrait doubler au cours de la prochaine décennie et les turbines à gaz deviennent une technologie de plus en plus dominante pour la production d'électricité. Par conséquent, les turbines nécessitent une plus grande efficacité pour réduire la consommation de carburant et limiter les émissions de dioxyde de carbone.

"Les turbines à gaz fonctionnent en convertissant l'énergie chimique en mouvement mécanique, mais sont limitées par leur seuil de température", a déclaré le Dr Raymundo Arroyave, professeur au Département de science et génie des matériaux. "La prochaine étape de la révolution de la technologie des turbines consiste à modifier le matériau utilisé pour fabriquer les composants, tels que les aubes, afin qu'ils puissent fonctionner à des températures plus élevées sans s'oxyder de manière catastrophique."

Lorsque l'on examine différents types d'alliages pour turbines, une attention particulière est accordée aux HEA. Les HEA sont des alliages concentrés qui n'ont pas d'élément majoritaire clair. Une caractéristique unique des HEA est que ces alliages deviennent plus stables à des températures plus élevées, offrant la possibilité d'une utilisation dans des environnements extrêmes.

Malgré leur capacité à résister à des températures élevées, les HEA sont sensibles à la rouille (oxydation). Les HEA peuvent avoir de nombreuses compositions, augmentant de manière exponentielle les types d'oxydes qui peuvent se former. Trouver une composition qui pourrait résister à l'oxydation nécessiterait une expérimentation approfondie à des coûts très élevés.

Pour contourner les inconvénients et les coûts de la découverte des HEA, les chercheurs ont développé un cadre d'intelligence artificielle capable de prédire le comportement d'oxydation des HEA. Ce cadre, combinant la thermodynamique computationnelle, l'apprentissage automatique et la mécanique quantique, peut prédire quantitativement l'oxydation des HEA de compositions chimiques arbitraires. Le temps nécessaire au criblage informatique des alliages est considérablement réduit, passant de quelques années à quelques minutes. Un dépistage très rapide et efficace, à son tour, réduit le besoin d'essais expérimentaux gourmands en ressources.

"Lors de la recherche d'un grand espace de composition, les expérimentateurs devraient prendre des centaines de variations d'un matériau très complexe, les oxyder puis caractériser leur performance, ce qui pourrait prendre des semaines, des mois voire des années", a déclaré Daniel Sauceda, étudiant diplômé au département science et génie des matériaux. "Notre recherche a considérablement raccourci le processus en créant une feuille de route de l'oxydation des HEA, montrant aux chercheurs ce que vous pouvez attendre de différentes compositions."

En utilisant le cadre, les chercheurs ont prédit le comportement d'oxydation de plusieurs compositions d'alliages. Ils ont ensuite envoyé les prédictions au scientifique du Laboratoire national d'Ames, Gaoyuan Ouyang, et à son équipe pour tester leurs découvertes et vérifier que le cadre démontre avec précision si un alliage résisterait ou non à l'oxydation.

"La capacité du cadre à identifier avec précision les phases nuisibles permettra la conception de matériaux améliorés résistants à l'oxydation", a déclaré Prashant Singh, scientifique du Laboratoire national d'Ames, qui a codirigé le développement du cadre. "L'approche présentée dans cette étude est générale et applicable pour comprendre le comportement d'oxydation des HEA ainsi que pour fournir des informations sur les matériaux résistants à l'oxydation et à la corrosion pour d'autres applications."

Les outils développés dans cette étude pourraient potentiellement modifier le processus par lequel les scientifiques découvrent des matériaux pour des environnements extrêmes en utilisant des outils d'intelligence artificielle pour siphonner rapidement un nombre astronomique d'alliages en très peu de temps.

"Cet outil aidera à éliminer les alliages qui ne fonctionneront pas pour nos besoins d'application tout en nous permettant de passer plus de temps et de créer une analyse plus détaillée des alliages qui valent la peine d'être étudiés", a déclaré Arroyave. "Bien que nos prédictions ne soient pas exactes à 100%, elles fournissent toujours suffisamment d'informations pour prendre des décisions éclairées sur les matériaux qui méritent d'être étudiés à une vitesse qui aurait été impensable avant que ce cadre ne soit développé."

Les HEA trouvés dans ce cadre ont des applications potentielles, telles que les turbines à gaz pour la propulsion et la production d'électricité, les échangeurs de chaleur et bien d'autres qui nécessitent des matériaux pour résister à des conditions de fonctionnement extrêmes.

"En permettant la découverte de matériaux capables de résister à des environnements extrêmes, ce travail contribue directement à l'objectif du ministère de l'Énergie d'atteindre des émissions nettes de carbone nulles d'ici 2050", a déclaré Singh. + Explorer plus loin

L'IA accélère le développement de nouveaux alliages à haute entropie