Une technique d’impression 3D réduit la fissuration des pales de turbine

Selon l’Université de technologie de Chalmers, une nouvelle étude pourrait rendre les turbines à gaz plus fiables et efficaces en s’attaquant à un défi majeur dans la fabrication des pales de turbine. Des chercheurs du Centre for Additive Manufacture – Metal (CAM2) ont mis au point une méthode améliorée de FA qui réduit la fissuration et les contraintes résiduelles dans les composants métalliques exposés à une chaleur et une pression extrêmes.

Les turbines à gaz fonctionnent dans des conditions extrêmes, soumettant leurs composants à des températures et des charges mécaniques très élevées. Un problème majeur lors de la fabrication de ces pièces est la fissuration, qui affaiblit le métal et réduit sa durée de vie.

Au CAM2, les chercheurs ont développé une méthode pour réduire la fissuration lors de la FA en ajustant la manière dont le métal est traité. Plutôt que d’utiliser de longs balayages laser continus, ils ont testé des motifs de balayage plus courts qui permettent un meilleur contrôle de l’apport thermique. Cet ajustement contribue à répartir la chaleur plus uniformément dans le matériau, réduisant ainsi le risque de formation de fissures.

« Les résultats indiquent qu’une telle stratégie de balayage aide à minimiser à la fois la fissuration à la solidification et les contraintes résiduelles, ce qui améliore la fabricabilité globale de cet alliage », explique Ahmed Fardan Jabir Hussain, doctorant en FA métallique à l’Université de technologie de Chalmers.

Bien que la recherche porte sur un alliage haute performance spécifique, le CM247LC, couramment utilisé dans les turbines à gaz, les résultats pourraient également profiter à d’autres matériaux sujets à des problèmes de fissuration similaires.

« La fissuration survient à la fois pendant la fabrication et durant les traitements thermiques, ce qui limite l’utilisation de ces matériaux. Cette recherche nous rapproche de leur viabilité pour ces applications », ajoute Ahmed.

L’un des aspects les plus prometteurs de cette recherche est sa capacité à réduire les contraintes résiduelles, un facteur clé dans la prévention de la fissuration due au vieillissement sous contrainte (SAC). La SAC est fréquente près des zones de concentration de contraintes, notamment dans les pièces finales comme les pales de turbine. Ce procédé amélioré pourrait mener à des composants plus solides et durables, mieux adaptés à des environnements à haute température et à forte contrainte.

« La stratégie de balayage avec des vecteurs courts peut être appliquée localement près des zones de concentration de contraintes afin de créer une microstructure résistante à la fissuration par vieillissement sous contrainte. Cette adaptation microstructurale est très attrayante pour les industries qui utilisent de tels alliages dans la fabrication », précise Ahmed.

L’équipe de recherche travaille également à garantir que le matériau puisse résister à une chaleur extrême pendant de longues périodes sans se déformer — une propriété connue sous le nom de résistance au fluage. Il s’agit d’un critère crucial pour les pales de turbine soumises à de fortes températures et à des charges élevées.

« Ces alliages sont conçus pour les zones chaudes des turbines à gaz, comme les pales de turbine. Ces dernières subissent des charges et des températures très élevées, elles doivent donc posséder une excellente résistance au fluage à haute température. Nous travaillons actuellement à améliorer cette propriété pour la rapprocher de celle des matériaux coulés  », conclut Ahmed.

L’article a été publié dans la revue Additive Manufacturing.