Les technologies clés

* Matériaux

Matériaux pour procédés pour hautes températures

Fiche Technologie-clé n : 89

VERSION 3

Présentation de la technologie

[100tc]Définitions

les matériaux haute température ont des points de fusion supérieurs à 1500 C. Selon les termes de la norme internationale ISO/R 836, relative au vocabulaire en usage dans l'industrie des matériaux réfractaires, par convention, les réfractaires sont des matières et produits non métalliques (mais n'excluant pas un constituant métallique) dont la résistance pyroscopique (température de fusion) est équivalente à 1500 C au minimum. En pratique, on parle également de métaux et alliages réfractaires, lorsque ces matériaux remplissent les conditions de tenue à haute température.

[100tc]Techniques mises en oeuvre

les matériaux utilisés sont : des métaux réfractaires (chrome, hafnium, iridium, molybdène, niobium, rhénium, ruthénium, tantale, tungstène, vanadium, zirconium...), des aciers réfractaires, des superalliages (alliages à base de nickel ou de cobalt), du graphite, des céramiques thermomécaniques telles que carbures (SiC, TiC, ZrC, WC...), nitrures (BN, TiN...), borures (ZrB2, TiB2, HfB2 ...) et oxydes (TiO2, ZrO2, Al2 O3), des siliciures et sulfures. Plus récents sont les composés intermétalliques (comme TiAl), les composites à matrice céramique et à matrice métallique.

Ces matériaux sont pour la plupart très difficiles à mettre en oeuvre. Leur fabrication recourt à divers procédés tels que la métallurgie des poudres. Les superalliages de nickel sont parmi les matériaux haute température les plus utilisés. Le carbure d'hafnium (HfC) est le composé binaire le plus réfractaire que l'on connaisse, avec un point de fusion proche de 4000 C.

Objectifs de la technologie

[100tc]Contexte concurrentiel et économique

certains procédés industriels, notamment en métallurgie et en pétrochimie, requièrent des températures de plus en plus élevées. Par ailleurs, l'élaboration de matériaux haute performance implique souvent des procédés de synthèse à haute température (au-delà de 1200 C). Une élévation en température des procédés permet généralement de réduire les coûts en augmentant le rendement des équipements et de réduire la pollution.

De grands progrès ont été accomplis depuis une quarantaine d'années dans le domaine des alliages réfractaires destinés à la construction des parties chaudes de turbomachines. Enjeu : le rendement d'une turbine à gaz augmente rapidement avec la température et on a grand intérêt à disposer de matériaux résistant à des températures de plus en plus élevées, simplifiant le système de refroidissement. Les matériaux utilisés, qui sont des alliages à base de nickel et de cobalt, sont appelés superalliages. Par ailleurs, les secteurs aéronautique et aérospatial suscitent de nombreux développements dans le domaine des matériaux résistant en environnements extrêmes et les découvertes diffusent dans les autres secteurs industriels. Les nouveaux matériaux sont souvent des céramiques avancées.

[100tc]Fonctions remplies :

les matériaux "haute température" résistent à la corrosion à haute température (réfractarité) et/ou conservent leurs propriétés mécaniques à haute température (résistance au fluage, à la fatigue, éventuellement aux chocs thermiques...). Exemples d'applications : fours industriels hautes températures, réacteurs, aubes de turbines, buses de fusées, filaments d'ampoules, électrodes pour fusion de verre, électrode d'électro-érosion, chaudières, échangeurs thermiques, vannes pour l'industrie chimique, filtres haute température, filières d'extrusion, moules, outils de coupe...

Environnement technologique

[100tc]Technologies concurrentes :

les matériaux haute température peuvent se concurrencer entre eux. Dans de nombreuses applications, la tendance est au remplacement des aciers et alliages réfractaires par des céramiques thermomécaniques. Exemple : tubes radiants dans les fours industriels où le carbure de silicium (SiC) gagne du terrain sur les aciers réfractaires, qui limitent les températures de process autour de 1000 C. L'utilisation de céramiques autorise des températures de process de 1200 à 1300 C. Pour des températures supérieures, les recherches se tournent vers des matériaux comme le molybdène.

La mise au point de nouveaux procédés permettant d'éviter les hautes températures peut venir annuler le besoin en matériaux haute température pour les équipements. Exemple : le thixomoulage en fonderie de l'aluminium permet d'abaisser la température de process grâce à l'injection du métal à l'état semi-solide (on reste en-dessous de la température de fusion du métal).

[100tc]Evolutions technologiques :

Les nitrure et carbure de silicium sont de plus en plus utilisés dans l'industrie, en particulier le SiC.

Dans les pays de la Triade (Europe, Etats-Unis, Japon), les travaux de recherche se multiplient sur les composés intermétalliques (considérés comme la prochaine génération de matériaux légers haute température pour le corps des navettes spatiales) et sur les composites à matrice céramique renforcés de céramique (particules, fibres, whiskers). Au Japon, par exemple, Nippon Carbon a développé récemment une technologie de fabrication de fibres de carbure de silicium résistant à plus de 1700 C (soit 500 C de plus que la génération précédente). Ces fibres devraient être utilisées dans des composites céramiques destinés aux turbines à gaz ou aux moteurs des avions hypersoniques.

[100tc]Programmes de recherche :

Au Japon, l'AIST (Agence pour la Science et la Technologie Industrielle) dépendant du MITI (Ministry of International Trade and Industry) finance un programme de R&D dans le domaine "High-Performance Materials for Severe Environments", avec un budget de 1436 millions de yen en 1996 (environ 72 MF).

Aux Etats-Unis, les travaux de R&D sur les matériaux haute température s'inscrivent dans quatre programmes pluriannuels très ciblés : HITEMP (HIgh TEmperature Materials Program) et EMP (Enabling Materials for Propulsion) tous deux soutenus par la NASA ; CFCC (Continuous Fiber Ceramic Composites) soutenu par le Department of Energy ; IHPTET (Integrated High Performance Turbine Engine Technology). Notons également un programme fédérateur sur les matériaux et les technologies (AMPP - Advanced Materials Processing Program) dont le budget s'est élevé à 1,6 milliards de dollars (8,5 MdF) en 1993.

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