De nouveaux alliages de brasage améliorent la barrière thermique dans la section chaude du moteur à réaction

Par éditeur | 8 novembre 2013

ParTom Sandin, Morgan Advanced Materials Wesgo, chef de produit brasage des métaux

Les scientifiques des matériaux et les fabricants de composants en céramique ont développé de nouveaux matériaux et procédés qui permettent aux moteurs de fonctionner de plus en plus chauds en réponse à l'accent mis par l'industrie aérospatiale sur des performances plus élevées et des coûts réduits.

Dans les moteurs à turbine à gaz, une grande quantité d'air du compresseur est utilisée pour refroidir l'aube et les aubes de la turbine. La quantité d'air nécessaire est déterminée par la température de la turbine et les matériaux qui doivent être refroidis. Si les matériaux de la turbine nécessitent moins de refroidissement ou peuvent être fabriqués à partir de matériaux capables de résister à des températures plus élevées, cela rendra plus d'air disponible pour la propulsion. Par conséquent, l'augmentation de la capacité de température de la turbine est essentielle pour améliorer l'efficacité du moteur. Cependant, les moteurs chauffent plus à mesure que la température de traitement augmente, et cette chaleur accrue a tendance à dégrader les métaux.

À l'intérieur des turbines, des préformes pré-frittées (PSP) sont utilisées pour réparer les aubes qui tombent en panne en raison d'une chaleur et d'une usure excessives. Les PSP, avec une petite quantité d'alliage de brasage mélangé au métal de base, sont principalement utilisés dans la section turbine pour réparer les fissures des aubes et les zones d'usure. Alors que les températures continuent de grimper dans ces zones, de nouveaux matériaux et technologies sont développés pour créer une meilleure barrière thermique. Ces développements devraient réduire considérablement les coûts de maintenance, de réparation et de révision (MRO). Les exemples incluent le développement d'alliages de brasage avancés, l'utilisation de céramiques sur des composants métal-céramique à haute température et l'introduction du brasage actif, qui permet au métal d'être lié directement à la céramique sans métallisation.

Les alliages de brasage sont utilisés dans une variété d'avions militaires et de composants de moteurs aérospatiaux commerciaux et des nuances sont en cours de développement qui lient directement la céramique au métal ou à d'autres matériaux. Les compositions d'alliage varient et incluent celles conçues pour une utilisation fonctionnelle dans des applications à haute température (750-850°C).

Les alliages sont sélectionnés pour répondre aux conditions de température de service spécifiques ainsi qu'aux exigences de tous les composants à assembler. Les exemples incluent les alliages utilisés dans les nouvelles sections chaudes de turbine, le brasage de la céramique de nitrure de silicium sur de nouvelles pièces de moteur en superalliage. Le tableau 1 donne un aperçu des alliages de brasage disponibles indiquant la pièce de moteur dans laquelle ils sont utilisés et le composant/matériau de base.

La plupart des avions de ligne modernes utilisent des turbosoufflantes en raison de leur poussée élevée et de leur bon rendement énergétique. Un turboréacteur tire une partie de sa poussée du noyau et une partie du ventilateur. L'air entrant est capté par l'entrée du moteur. Une partie de l'air entrant passe à travers le ventilateur et continue dans le compresseur principal, puis dans le brûleur, où il est mélangé au carburant et où la combustion se produit. Les gaz d'échappement chauds traversent le noyau et les turbines du ventilateur, puis sortent par la tuyère. Le reste de l'air entrant passe à travers le ventilateur et contourne le moteur, comme l'air à travers une hélice. L'air qui traverse le ventilateur a une vitesse légèrement accrue.

Ce schéma d'un moteur à double flux typique montre les endroits les plus courants pour l'utilisation d'alliages, y compris ceux utilisés pour la "section froide" du moteur (entrée d'air et compresseur) et sa "section chaude" (turbine et chambre de combustion).

La figure 1 est un schéma d'un moteur à double flux typique, montrant les emplacements les plus courants pour l'utilisation d'alliages, y compris ceux utilisés pour la "section froide" du moteur (entrée d'air et compresseur) et sa "section chaude" (turbine et chambre de combustion).

Le site Wesgo Metals de Morgan Advanced Materials à Hayward, en Californie, produit plus de 15 compositions d'alliage de brasage destinées à être utilisées dans la section des compresseurs. Nioro® est utilisé sur l'Inconel X750 ou 718 pour atteindre la température de recuit de mise en solution sans croissance de grain excessive qui se produit avec les alliages à base de nickel. Le Nioro® est un alliage or/nickel de haute pureté pour le brasage sous vide. Les alliages de brasage au nickel sont utilisés dans le brasage des compresseurs et des turbines. Sous sa forme de feuille, il peut être utilisé pour le brasage des bandes de joint en nid d'abeille et en métal.

Dans la section stator d'un moteur à double flux, le stator aspire l'air froid et contourne le moteur, créant ainsi une poussée supplémentaire. Le stator a également un rôle dans la réduction des turbulences, de sorte que le tangage et le roulement de l'air sont minimisés.

Dans les systèmes de carburant à double flux, l'or nickel et le platine or nickel sont utilisés pour braser les tubes et les buses du système de carburant. La buse de carburant, située là où se déroulent les première et deuxième étapes de combustion, voit une quantité considérable de chaleur. La ductilité dans les joints de brasage est nécessaire pour aider à la dilatation et aux vibrations dans la section de combustion. Les alliages de brasage d'or et de platine présentent également un contraste supérieur dans le joint de brasage, permettant l'utilisation de la technologie des rayons X pour vérifier l'intégrité du joint de brasage. De plus, ces alliages présentent une bonne résistance à la corrosion. C'est dans ce domaine que les fabricants de moteurs ont exprimé un énorme intérêt pour les matériaux capables de résister à des températures extrêmes, là où les superalliages conventionnels échouent.

Un domaine d'intérêt croissant est le brasage actif du métal, qui permet de lier le métal directement à la céramique sans métallisation, éliminant ainsi plusieurs étapes du processus d'assemblage et créant un joint hermétique extrêmement résistant pouvant atteindre des températures de fonctionnement plus élevées. Les applications aérospatiales comprennent les buses pour les moteurs à turbine aérospatiaux et industriels, les nouveaux systèmes d'aubes de turbine et les composants de capteur de moteur.

Le brasage actif du métal peut être réalisé avec n'importe quelle combinaison de céramique, de carbone, de graphite, de métaux et de diamant. Les alliages de brasage actifs (ABA) sont utilisés pour les capteurs de moteur qui utilisent des bandes métal-céramique pour surveiller les fonctions du moteur. Le brasage est effectué avec un ABA haute température afin que le capteur puisse supporter 1000°C (1830°F) en service.

Le brasage actif du métal facilite l'assemblage de certains matériaux et composants qui n'aurait jamais pu être réalisé auparavant, et est particulièrement bénéfique dans les applications militaires et aérospatiales.

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