Les chercheurs de Skoltech ont identifié des matériaux céramiques prometteurs pour les revêtements métalliques qui amélioreraient l'efficacité des turbines à gaz. Si d’autres tests expérimentaux s’avèrent concluants, les revêtements permettront aux centrales électriques de produire plus d’électricité et aux avions à réaction de consommer moins de carburant. Avec la technique de découverte de matériaux éprouvée, les chercheurs ont l'intention de poursuivre la recherche et de trouver davantage de candidats dotés de propriétés peut-être encore meilleures. L'étude est publiée dans Physical Review Materials .
Les revêtements de barrière thermique sont utilisés pour protéger les aubes de turbine dans les centrales électriques et dans les moteurs à réaction. Les lames elles-mêmes sont constituées de superalliages à base de nickel. Ceux-ci offrent une excellente combinaison de résistance à haute température, de ténacité et de résistance à la dégradation. Cependant, à mesure que la température devient très élevée, le superalliage se ramollit et peut même fondre. Les revêtements protecteurs permettent de faire fonctionner les turbines à des températures plus élevées sans compromettre leur intégrité. Et dans ce cas, une température plus élevée signifie une plus grande efficacité.
"Les revêtements de barrière thermique sont aujourd'hui constitués de zircone stabilisée à l'yttrium, mais si un matériau doté de meilleures propriétés était utilisé à la place, cela permettrait d'obtenir plus de puissance utile de la turbine", explique le professeur Artem R. Oganov, co-auteur de l'étude. qui dirige le laboratoire de découverte de matériaux chez Skoltech.
"Pour trouver de tels matériaux, vous devez d'abord proposer des candidats dont vous prédisez les propriétés par calcul. Nous avons testé une gamme de méthodes et déterminé la meilleure d'entre elles pour calculer les propriétés pertinentes des matériaux, en particulier la conductivité thermique. Dans l'article, nous répertorions quelques candidats prometteurs, mais nous continuerons à chercher."
Un matériau pour revêtements à barrière thermique doit répondre à plusieurs exigences. Il doit avoir un point de fusion très élevé et une très faible conductivité thermique. Cette dernière propriété est particulièrement difficile à calculer car elle dépend des effets « anharmoniques » complexes des cristaux. De plus, lorsqu'il est chauffé, le matériau doit se dilater à peu près au même rythme que le superalliage, sinon il s'écaillera de la surface.
Le matériau ne doit subir aucune transition de phase entre la température ambiante et la température de fonctionnement de la turbine, qui entraînerait une fissuration du revêtement. Il doit également résister aux effets des particules de poussière et de l'oxygène à des températures élevées et empêcher les ions oxygène d'atteindre le métal sous-jacent et de l'oxyder.
"Bien que nous ayons calculé les autres propriétés, le nœud du problème est de prédire la conductivité thermique", explique Skoltech Ph.D., co-auteur de l'étude. étudiant Majid Zeraati. "Nous avons montré que de telles prédictions sont réalisables sur le plan informatique et raisonnablement précises avec des simulations de dynamique moléculaire homogène hors équilibre. Cela s'avère quelque peu inattendu, car de telles simulations impliquent une quantité massive de calculs et de statistiques approfondies, ce qui entraîne une grande complexité informatique.
"Néanmoins, nous avons réussi à simplifier la méthode en la complétant avec des potentiels d'apprentissage automatique :c'est-à-dire que les interactions entre les atomes ont été prédites à l'aide de l'intelligence artificielle, plutôt que d'être directement calculées."
L'étude Skoltech met déjà en avant un certain nombre de matériaux qui promettent de surpasser le champion actuel, la zircone stabilisée à l'yttria, l'actuel champion. Parmi eux se trouvent le niobate d'yttrium (Y3 NbO7 ), les structures pérovskites BaLaMgTaO6 et BaLaMgNbO6 et sept autres matériaux. Cela dit, l'équipe prévoit de poursuivre ses recherches informatiques pour identifier les options de sauvegarde possibles et les candidats potentiellement meilleurs encore disponibles.
Plus d'informations : Majid Zeraati et al, Recherche de matériaux à faible conductivité thermique pour les revêtements à barrière thermique :une approche théorique, Physical Review Materials (2024). DOI :10.1103/PhysRevMatériaux.8.033601
Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo
