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Predictive Microstructural Assessment and Micro-Mechanical Modeling of Deformation and Damage Accumulation in Single Crystal Gas Turbine Blading

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Lancement d'un superalliage pour redynamiser la compétitivité européenne

Les fabricants européens de turbines à gaz doivent faire face à la concurrence féroce des Américains et des Japonais. Pour encourager leur ténacité à conserver et augmenter leurs parts de marché à l'international, un consortium européen d'universités, d'instituts de recherche, d'industriels et de PME a lancé un projet de recherche fondamentale sur 4 ans, destiné à étudier, déterminer, évaluer et améliorer les matériaux utilisés pour la fabrication des ailettes de turbine à gaz.

Technologies industrielles

Les moteurs perfectionnés bénéficiant d'un rendement thermique accru, comme les turbines à gaz, fonctionnent dans des conditions de températures élevées et de fortes contraintes. Cela oblige les fabricants à avoir une bonne connaissance des propriétés des matériaux qu'ils utilisent. Notamment pour les ailettes de turbine à gaz, qui sont fabriquées à partir d'alliages, il est indispensable de pouvoir prédire la déformation et les défaillances éventuelles des ailettes, afin de garantir qu'aucune défaillance catastrophique ne se produise lorsque les composants critiques sont utilisés à leur rendement maximum. Les alliages, une combinaison de métaux qui enrichit les propriétés de chacun des métaux, sont largement utilisés pour des applications critiques dans les moteurs à réaction. Les ailettes de turbine à gaz qui fonctionnent à haute température nécessitent des superalliages. S'ils sont utilisés efficacement dans la fabrication d'ailettes, les superalliages de monocristaux, un type récent de matériaux évolués, pourraient permettre de réduire les coûts, d'améliorer le rendement et les performances, et d'augmenter la fiabilité des turbines à gaz. Malheureusement, jusqu'à très récemment, personne n'avait réussi à tirer le plein avantage des superalliages de monocristaux, en raison du manque de connaissances détaillées sur leur comportement mécanique. Le projet MICROMOD-SX a été lancé afin de fournir les connaissances nécessaires. Ce projet a permis d'acquérir une meilleure compréhension du comportement mécanique anisotrope des superalliages de monocristaux dans des conditions de hautes températures. Deux modèles ont été utilisés pour prédire la déformation et les défaillances des ailettes de turbine à gaz en monocristaux, en se basant sur des essais de fluage uniaxial et des essais de fatigue. En outre, il s'agissait de la première tentative d'inclure les structures de coulée défectueuses dans la prédiction de la déformation et des défaillances des ailettes. Les modèles décrivant la résistance à la fatigue et au fluage des superalliages monocristaux anisotropes ont été évalués avec les bases de données de matériaux adéquates, par le biais des essais de fluage multiaxial et des essais de fatigue thermique sur les échantillons de monocristaux. Les résultats ont entraîné une amélioration du système et les modèles sont désormais disponibles dans le commerce, sous la forme de progiciels d'éléments finis (FE, Finite Element). Même si le projet actuel est un programme de recherche fondamentale en science des matériaux, sa forte corrélation avec les applications industrielles est évidente. Il constitue une étape vers une utilisation plus efficace des superalliages, apportant une aide formidable à la fabrication des turbines à gaz.

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