Les composites à matrice céramique prennent leur envol dans le turboréacteur LEAP

4 janvier 2017

par Dawn Levy, Laboratoire national d'Oak Ridge

Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) sont constitués de fibres céramiques enrobées entourées d'une matrice céramique. Ils sont robustes, légers et capables de résister à des températures de 300 à 400 degrés F supérieures à celles que peuvent supporter les alliages métalliques. Si certains composants étaient fabriqués avec des CMC au lieu d'alliages métalliques, les turbomoteurs des avions et des centrales électriques pourraient fonctionner plus efficacement à des températures plus élevées, brûler le carburant plus complètement et émettre moins de polluants.

Il y a un quart de siècle, le département américain de l'énergie a lancé un programme, dirigé par le laboratoire national d'Oak Ridge du DOE, pour soutenir le développement américain des matériaux CMC. En 2016, LEAP, un nouveau moteur d'avion, est devenu le premier produit contenant du CMC largement déployé. CFM International, joint-venture 50/50 de Safran et GE, fabrique le LEAP.

Le moteur a un composant CMC, une enveloppe de turbine recouvrant sa zone la plus chaude, de sorte qu'il peut fonctionner jusqu'à 2400 F. Le CMC a besoin de moins d'air de refroidissement que les superalliages à base de nickel et fait partie d'une suite de technologies qui contribuent à 15 pour cent d'économies de carburant pour LEAP par rapport à son prédécesseur, le moteur CFM 56.

Les préventes aux compagnies aériennes soucieuses de réduire les coûts du carburant sont stupéfiantes : 140 milliards de dollars au prix catalogue pour plus de 11 000 moteurs. En août, le premier moteur LEAP a commencé à voler commercialement sur Airbus A320neo. D'autres moteurs LEAP voleront sur le Boeing 737 MAX en 2017.

"Les matériaux développés dans le cadre du programme DOE sont devenus la base des matériaux qui entrent désormais dans les moteurs d'avions", a déclaré Krishan Luthra, qui a dirigé le développement des CMC chez GE Global Research pendant 25 ans.

Le CMC de GE est constitué de fibres céramiques de carbure de silicium (SiC) (contenant du silicium et du carbone en quantités égales) recouvertes d'un matériau exclusif contenant du nitrure de bore. Les fibres enduites sont façonnées en une « préforme » qui est noyée dans du SiC contenant 10 à 15 % de silicium.

Rick Lowden de l'ORNL a fait un travail fondamental dans les années 1980 qui a ouvert la voie aux programmes du DOE. La clé était de revêtir les fibres céramiques.

"Un composite à matrice céramique est différent de presque tous les autres composites car la matrice est en céramique et la fibre est en céramique", a déclaré Lowden. En règle générale, la combinaison de deux matériaux fragiles donne un matériau fragile, a-t-il déclaré. Mais modifier le lien entre la fibre et la matrice permet au matériau d'agir davantage comme un morceau de bois. Les fissures ne se propagent pas dans les fibres à partir de la matrice qui les entoure. Les fibres maintiennent le matériau ensemble et supportent la charge tout en tirant lentement de la matrice, ajoutant de la ténacité.

Le programme CFCC (Continuous Fiber Ceramic Composite) du DOE s'est déroulé de 1992 à 2002 et a soutenu le développement industriel des CMC par AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock et Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE et Textron. Son budget était en moyenne de 10 millions de dollars par an et les coûts partagés par l'industrie.

Le CFCC a financé des entreprises pour fabriquer des composites et des laboratoires nationaux et des universités pour caractériser les propriétés des matériaux. Les efforts ont été coordonnés et financés par l'ORNL. Lowden a rédigé le plan du programme avec Scott Richland du DOE et Mike Karnitz de l'ORNL et a codirigé le soutien aux entreprises avec Karren More de l'ORNL, Pete Tortorelli et Edgar Lara-Curzio et Bill Ellingson du Laboratoire national d'Argonne. L'US Advanced Ceramics Association a représenté l'industrie en informant le Congrès des avantages des CMC.

"Nous examinions différentes fibres et différents revêtements interfaciaux et différentes matrices", a déclaré More à propos du rôle d'ORNL. "Nous avons participé à la compréhension des mécanismes de dégradation et à la sélection à la baisse des composites les plus prometteurs et des techniques rentables pour les préparer."

Lowden a ajouté : « Nous travaillions vers un objectif commun consistant à intégrer les composites à matrice céramique dans des applications industrielles, notamment les échangeurs de chaleur haute pression, les turbines terrestres, les fours de carburation et les brûleurs radiants.

Le projet CFCC de GE était de développer des CMC pour les moteurs à turbine à gaz industriels qui produisent de l'électricité. (GE fabrique à la fois des turbines de puissance et de propulsion.) Un programme de suivi du DOE s'est déroulé jusqu'en 2005 et a financé les sociétés CFCC les plus prometteuses pour développer davantage les matériaux et les composants et, si possible, les tester dans des applications. Le financement total était d'environ 15 millions de dollars, avec un partage des coûts de l'industrie approchant les 50 %. GE a testé sur le terrain une enveloppe CMC dans une turbine à gaz industrielle de 170 mégawatts dans le cadre du programme. Au total, GE a investi 1,5 milliard de dollars par la suite pour commercialiser la technologie.

"Le capital d'amorçage est essentiel pour les technologies à haut risque et à haut rendement", a déclaré Luthra. "Le développement de matériaux est une activité à long terme, et Oak Ridge a énormément soutenu la recherche fondamentale."

Comme preuve de succès, Luthra a souligné les nouvelles usines et les nouveaux emplois de CMC aujourd'hui. En 2002, GE a acquis une installation CMC à Newark, Delaware, qui s'est considérablement développée. Une nouvelle usine GE a ouvert ses portes à Asheville, en Caroline du Nord, en 2014 pour fabriquer des composants de carénage. En outre, GE construit deux usines adjacentes à Huntsville, en Alabama, la première pour accélérer la production de fibres et la seconde pour enrober les fibres et fabriquer des rubans à transformer en composants. À pleine échelle, les sites d'Asheville et de Huntsville devraient créer 640 emplois de haute technologie.

En 2019, GE produira un moteur, GE9X, avec cinq pièces CMC - deux chemises de chambre de combustion, deux buses, un carénage. Les préventes s'élèvent à environ 29 milliards de dollars aux prix catalogue pour 700 moteurs.

Bien avant que les fibres céramiques ne renforcent les composites céramiques, les chercheurs de l'ORNL recouvraient le combustible nucléaire de carbone et de SiC pour confiner la radioactivité à l'intérieur des particules de combustible tristructural-isotrope (TRISO). Au cours d'expériences dans les années 70, Jack Lackey de l'ORNL a réalisé que le processus pouvait être modifié pour fabriquer plus rapidement des composites céramiques. Avec le soutien du Fossil Energy Materials Program du DOE, son groupe a lancé un processus pour y parvenir.

"Vous prenez une préforme fibreuse, vous la placez dans un four et vous déposez des solides en phase vapeur sur et autour des fibres", a expliqué Lowden, qui était le technicien de Lackey. Pour recouvrir uniformément l'ensemble de l'objet, le processus de dépôt doit être extrêmement lent - une partie d'un demi-pouce peut prendre six mois à traiter.

Cependant, l'équipe de l'ORNL a découvert que placer un tapis fibreux sur une plaque froide, chauffer le dessus et forcer les gaz à travers le tapis accélérait le processus de plusieurs mois à plusieurs heures. "C'est là que nous nous sommes impliqués dans les composites à matrice céramique", a déclaré Lowden. L'ORNL a fourni des CMC pendant des années aux chercheurs évaluant les CMC pour diverses applications.

Aujourd'hui, GE produit en masse des CMC à l'aide d'un processus d'infiltration à l'état fondu. La capacité de production est mise à l'échelle pour fabriquer 36 000 segments de carénage de qualité parfaite par an d'ici 2020. (Chaque moteur LEAP nécessite 18 segments de carénage.)

Au cours des années CFCC, le plus grand succès du programme a été une turbine à gaz industrielle mise en service à l'usine de Malden Mills dans le Massachusetts en 1999. La turbine arborait une chemise de combustion CMC - développée par Solar Turbines avec la contribution de chercheurs de l'ORNL, Argonne, United Technologies, BF Goodrich et DuPont-Lanxide Composites - qui a contribué à améliorer l'efficacité de la turbine. À l'époque, le secrétaire à l'Énergie, Bill Richardson, a déclaré que l'usine de Malden Mills avait "les émissions les plus faibles de toutes les installations combinées de chaleur et d'électricité industrialisées aux États-Unis".

Depuis CFCC, GE a testé des CMC pendant plus de 2 millions d'heures, dont 40 000 heures dans des turbines à gaz industrielles. Jim Vartuli du programme CMC de GE a déclaré que le soutien du DOE sur les grandes turbines à gaz industrielles pour obtenir ces premiers démonstrateurs a donné à GE confiance que la céramique pouvait survivre à des températures élevées et à des contraintes dans les turbines pendant de longues périodes.

« GE est la seule entreprise au monde à posséder à la fois de grandes activités de turbines à gaz industrielles et de moteurs d'avion, ce qui offre de nombreuses opportunités de co-développement de technologies de pointe. C'est un exemple du « GE Store », le transfert de technologie et de connaissances entre les entreprises de GE », a expliqué Vartuli. "Le succès des essais de turbines a convaincu notre activité aéronautique que les CMC seraient également efficaces pour les moteurs d'avions."

Les entreprises du CFCC ont apporté les matériaux qu'elles avaient fabriqués aux laboratoires nationaux du DOE à Argonne pour une évaluation non destructive et à Oak Ridge pour une caractérisation microstructurale et des tests de contrainte et d'oxydation. "Ce partenariat met en évidence la valeur des laboratoires nationaux", a déclaré More. "Nous faisons un travail fondamental et large pour comprendre les comportements des matériaux. Nous fournissons les informations nécessaires pour aider la communauté à prendre des décisions sur où aller, comment procéder." De nouvelles connaissances sur la façon dont les matériaux dégradés ont aidé l'industrie à accélérer les améliorations et à optimiser les processus de fabrication.

Les recherches à l'ORNL allaient du développement par Allen Haynes de revêtements barrières environnementales qui pourraient quintupler la durée de vie des matériaux sous-jacents à l'imagerie non destructive des matériaux avec des caméras thermiques par Ralph Dinwiddie. Au laboratoire national d'Argonne, Bill Ellingson a dirigé le développement de méthodes de test non destructif plus larges pour garantir une utilisation continue et sûre des composants en surveillant la dégradation des matériaux après des intervalles d'utilisation. Sans endommager les composants, les inspections ont révélé comment les matériaux ont réagi dans un environnement au fil du temps. Avec les chercheurs de l'ORNL, les scientifiques d'Argonne ont développé plusieurs technologies d'inspection non destructives qui ont contribué à déterminer les performances des composants.

Pete Tortorelli et HT Lin de l'ORNL ont mis l'accent sur les matériaux dans les chambres d'exposition environnementale pour connaître leurs points de défaillance. Les collègues de laboratoire Jim Keizer et Irv Federer ont exposé des échantillons à des gaz corrosifs, des températures allant jusqu'à 2550 F et des pressions allant jusqu'à 500 psi dans des "plates-formes Keiser" qui simulaient les conditions dans les turbines. Ceux-ci ont également été utilisés par More, Tortorelli et Keizer pour filtrer les revêtements de protection nécessaires dans les environnements de combustion.

Pendant ce temps, des structures plus caractérisées de matériaux stressés. "Karren More est entrée en scène en tant que microscopiste, et cela a changé notre monde", se souvient Lowden. "Pouvoir voir ce qui se passait avec la microscopie électronique à transmission et comprendre ce qui se passait à ce niveau, c'était incroyable." GE avait accès à certaines techniques en interne en raison de sa grande infrastructure. "Mais nous avons obtenu une aide inestimable de Karren sur les revêtements de fibres", a déclaré Luthra. "Cela nous a aidés à développer plus rapidement les revêtements de fibres."

Les premières découvertes de l'ORNL ont encouragé l'industrie à abandonner le carbone comme revêtement de fibre. Carbone oxydé, se transformant en monoxyde de carbone et dioxyde de carbone, et volatilisé, amincissant le revêtement. Les ingénieurs de l'ORNL ont plutôt recommandé le nitrure de bore résistant à l'oxydation.

De plus, Edgar Lara-Curzio a modélisé et testé les performances mécaniques des matériaux CMC sous différentes conditions de chargement et leur résistance à la fatigue, au fluage et à la rupture dans le Laboratoire des matériaux à haute température de l'ORNL. En collaboration avec Matt Ferber et Chun-Hway Hsueh, il a mis en place des méthodes expérimentales et analytiques pour caractériser la micromécanique des interfaces fibre-matrice. « Ces mesures étaient essentielles pour quantifier la liaison chimique entre les fibres et la matrice, les contraintes résiduelles subies par les fibres et le frottement entre les fibres et la matrice lors du glissement des fibres », a déclaré Lara-Curzio, notant que les CMC sont résistants principalement parce que les revêtements interfaciaux laissent les fibres glisser et pontent les fissures de la matrice. Lui et Hsueh ont fourni des informations clés sur la façon dont une seule fibre glisse dans une matrice céramique. Lara-Curzio, Ferber et Lowden ont ensuite quantifié l'effet de l'épaisseur des revêtements de fibres sur le glissement et ont découvert une valeur qui optimisait les propriétés mécaniques. Les entreprises ont largement adopté cette corrélation pour optimiser leurs composites.

Aujourd'hui, chez GE, Luthra rêve de mettre des CMC partout où le moteur devient chaud - pales, buses, chemises. Pour réaliser cette vision, la communauté a de nombreuses montagnes technologiques à gravir. L'un développe des procédés de fabrication qui, contrairement à l'infiltration par fusion, ne produisent pas de silicium en excès qui peut se volatiliser et former des fissures dans la matrice.

"Chaque décennie, nous avons augmenté [la chaleur que les métaux peuvent prendre] d'environ 50 degrés", a noté Luthra. Aujourd'hui, le matériau CMC peut supporter jusqu'à 2400 F, mais Luthra aimerait que la prochaine génération atteigne 2700 F. "Cela va être aussi difficile que le développement du premier composite céramique", a-t-il déclaré.

Pour souligner ces défis, la US Advanced Ceramics Association crée une feuille de route axée sur l'industrie pour le développement de CMC 2700 F pour les turbines à gaz avancées. Cette feuille de route informera le Congrès des succès des CMC 2400 F, encouragera les investissements dans le développement des CMC 2700 F et mettra en évidence les contributions des CMC à la création d'emplois manufacturiers américains bien rémunérés, à la sécurité nationale et à l'environnement. La feuille de route de l'USACA soutient les conclusions d'une récente étude de la National Academy of Sciences qui conclut que l'investissement dans les matériaux et les revêtements des turbines à gaz devrait être une priorité élevée et que les CMC 2700 F pourraient réduire ou éliminer considérablement le besoin de refroidissement dans les moteurs, augmenter l'efficacité et réduire le poids. Les laboratoires nationaux du DOE pourraient à nouveau être appelés à aider à découvrir des matériaux et des processus de haute performance pouvant fonctionner à des températures plus élevées et dans des environnements encore plus extrêmes.

Les futurs CMC devront endurer des extrêmes sur quatre échelles de temps, selon l'application : 1 heure ou moins de temps chaud pour les lanceurs ; jours pour les combustibles tolérants aux accidents (par exemple, si un système de refroidissement tombe en panne dans une centrale nucléaire) ; milliers d'heures, la durée de vie des turbines d'avions ; et plus de 30 000 heures pour les turbines à gaz industrielles pour la production d'électricité.

Une turbine à gaz terrestre pour produire de l'électricité peut être plus exigeante qu'une application de moteur d'avion car elle passe beaucoup plus de temps à fonctionner à haute température, a déclaré Luthra. Les progrès de la prochaine génération de matériaux 2700 F permettraient des améliorations révolutionnaires de l'efficacité et des émissions qui pourraient réduire le coût de l'électricité.

Le ciel, après tout, n'est peut-être pas la limite.

Plus d'information:Recherche sur les systèmes de propulsion et d'énergie des avions commerciaux réduisant les émissions mondiales de carbone : www.nap.edu/read/23490/chapter/1

Fourni par le laboratoire national d'Oak Ridge