Les chercheurs de Skoltech ont identifié des matériaux céramiques prometteurs pour des revêtements métalliques qui augmenteraient l’efficacité des turbines à gaz. Si les tests expérimentaux ultérieurs s’avèrent concluants, les revêtements permettront aux centrales électriques de produire plus d’électricité et aux avions à réaction de consommer moins de carburant. Entre-temps, la technique de découverte des matériaux ayant fait ses preuves, les chercheurs ont l’intention de poursuivre leurs recherches et de trouver d’autres candidats aux propriétés peut-être encore meilleures.
Les revêtements à barrière thermique sont utilisés pour protéger les aubes de turbines dans les centrales électriques et les moteurs à réaction. Les aubes elles-mêmes sont fabriquées à partir 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. Toutefois, lorsque 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 est synonyme d’une plus grande efficacité.
« Les revêtements de protection thermique sont aujourd’hui constitués de zircone stabilisée à l’yttrium, mais si l’on utilisait à la place un matériau présentant de meilleures propriétés, on pourrait obtenir une plus grande puissance utile de la turbine », indique le professeur Artem R. Oganov, co-auteur de l’étude et directeur du laboratoire de découverte des matériaux à Skoltech. « Pour trouver de tels matériaux, il faut d’abord trouver des candidats dont on peut prédire les propriétés par le calcul. Nous avons testé une série de méthodes et déterminé les meilleures d’entre elles pour calculer les propriétés pertinentes des matériaux, en particulier la conductivité thermique. Dans l’article, nous dressons une liste de candidats prometteurs, et nous continuerons à chercher ».
Un matériau pour les revêtements à barrière thermique doit répondre à plusieurs exigences. Il doit avoir un point de fusion très élevé et une conductivité thermique très faible. Cette dernière propriété est particulièrement difficile à calculer car elle dépend des effets « anharmoniques » complexes des cristaux. En outre, lorsqu’il est chauffé, le matériau doit se dilater à peu près à la même vitesse que le superalliage, faute de quoi il s’écaillera de la surface. Le matériau ne doit pas subir de transition de phase entre la température ambiante et la température de fonctionnement de la turbine, ce qui provoquerait des fissures dans le revêtement. Il doit également résister aux effets des particules de poussière et de l’oxygène à haute température et empêcher les ions d’oxygène d’atteindre le métal sous-jacent et de l’oxyder.
« Bien que nous ayons calculé les autres propriétés, le nœud du problème est la prévision de la conductivité thermique », ajoute Majid Zeraati, doctorant à Skoltech et coauteur de l’étude. « Nous avons montré que de telles prédictions sont réalisables sur le plan informatique et raisonnablement précises grâce à des simulations de dynamique moléculaire homogène à l’état de non-équilibre. Cela s’avère quelque peu inattendu, car ces simulations impliquent une quantité massive de calculs et des statistiques étendues, ce qui se traduit par une grande complexité informatique. Néanmoins, nous avons réussi à simplifier la méthode en la complétant par des potentiels d’apprentissage automatique : En d’autres termes, les interactions entre les atomes ont été prédites à l’aide de l’intelligence artificielle, plutôt que d’être directement calculées. »
L’étude de Skoltech met déjà en évidence un certain nombre de matériaux qui promettent de surpasser la zircone stabilisée à l’yttrium, le champion actuel. Parmi eux, le niobate d’yttrium (Y3NbO7), les structures pérovskites BaLaMgTaO6 et BaLaMgNbO6, et sept autres matériaux. Cela dit, l’équipe prévoit de poursuivre ses recherches informatiques afin d’identifier les options de remplacement possibles et les meilleurs candidats potentiels qui existent encore.
Légende illustration : Turbine à gaz d’une centrale industrielle produisant de l’électricité
Article : « Searching for low thermal conductivity materials for thermal barrier coatings: A theoretical approach » – DOI : 10.1103/PhysRevMaterials.8.033601
Source : Skoltech – traduction Enerzine.com
