Un « superalliage » fabriqué avec une imprimante 3D pourrait réduire les émissions des centrales électriques

Crédit image : Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Par la rédaction d'E&T

Publié le lundi 20 février 2023

Un nouveau « superalliage » imprimé en 3D pourrait aider les centrales électriques à produire plus d’électricité tout en produisant moins de carbone.

Un groupe de scientifiques des laboratoires nationaux Sandia, Ames National Laboratory, Iowa State University et Bruker Corp., tous situés aux États-Unis, ont utilisé une imprimante 3D pour créer un alliage métallique haute performance, ou superalliage, avec une composition inhabituelle qui le rend plus résistant. et plus léger que les matériaux de pointe actuellement utilisés dans les machines à turbine à gaz.

Les résultats pourraient avoir de larges impacts dans le secteur de l’énergie ainsi que dans les industries aérospatiale et automobile, et pointer vers une nouvelle classe d’alliages similaires qui n’ont pas encore été découverts.

"Nous montrons que ce matériau peut accéder à des combinaisons auparavant impossibles à obtenir de haute résistance, de faible poids et de résilience à haute température", a déclaré Andrew Kustas, scientifique chez Sandia. "Nous pensons que nous avons atteint cet objectif en partie grâce à l'approche de la fabrication additive."

Les centrales nucléaires et fossiles dépendent de la chaleur pour faire tourner les turbines qui produisent de l’électricité. Mais l’efficacité des centrales électriques est limitée par la chaleur des pièces de turbine.

Crédit image : Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Si les turbines peuvent fonctionner à des températures plus élevées, davantage d’énergie peut être convertie en électricité tout en réduisant la quantité de chaleur perdue rejetée dans l’environnement.

Le nouveau superalliage, composé de 42 pour cent d'aluminium, 25 pour cent de titane, 13 pour cent de niobium, 8 pour cent de zirconium, 8 pour cent de molybdène et 4 pour cent de tantale, était plus résistant à 800°C que de nombreux autres superalliages hautes performances. alliages, y compris ceux actuellement utilisés dans les pièces de turbine, et encore plus résistants lorsqu'on le ramène à température ambiante.

"C'est donc une situation gagnant-gagnant pour une énergie plus économique et pour l'environnement", a déclaré Sal Rodriguez, un ingénieur nucléaire de Sandia qui n'a pas participé à la recherche.

Les chercheurs en aérospatiale à la recherche de matériaux légers qui restent solides à haute température pourraient également bénéficier du superalliage.

L’impression 3D est déjà largement utilisée comme méthode de fabrication polyvalente et économe en énergie. Il utilise un laser haute puissance pour faire fondre instantanément un matériau, généralement un plastique ou un métal, qui est ensuite déposé en couches pour construire un objet à mesure que le matériau fondu refroidit et se solidifie rapidement.

Les chercheurs ont réutilisé cette technologie comme un moyen rapide et efficace de fabriquer de nouveaux alliages en utilisant une imprimante 3D pour faire fondre des métaux en poudre, puis en produire immédiatement un échantillon.

"Nous avons de nombreux exemples de combinaisons de deux ou trois éléments pour créer un alliage technique utile", a déclaré Kusta. « Maintenant, nous commençons à aller vers quatre ou cinq, voire plus, dans un seul matériau. Et c’est à ce moment-là que cela commence vraiment à devenir intéressant et stimulant du point de vue de la science des matériaux et de la métallurgie.

À l’avenir, l’équipe souhaite déterminer si des techniques avancées de modélisation informatique pourraient aider les chercheurs à découvrir davantage de membres de ce qui pourrait être une nouvelle classe de superalliages à haute performance produits par fabrication additive.

"Ce sont des mélanges extrêmement complexes", a déclaré Michael Chandross, scientifique de Sandia, qui n'était pas directement impliqué dans l'étude. « Tous ces métaux interagissent au niveau microscopique, voire atomique, et ce sont ces interactions qui déterminent réellement la résistance d'un métal, sa malléabilité, son point de fusion, etc.

« Notre modèle élimine une grande partie des incertitudes de la métallurgie, car il peut calculer tout cela et nous permettre de prédire les performances d'un nouveau matériau avant de le fabriquer. »

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