Moulage monocristallin (aubes de turbines)

Une solidification lente à partir d'une extrémité fait croître la pièce en un seul cristal

Le moulage monocristallin fabrique une pièce métallique faite d'un seul cristal continu, sans aucun joint de grains (les jointures entre cristaux). Il sert pour les aubes de turbines les plus chaudes des moteurs d'avion et des turbines à gaz de centrales. Ces aubes tournent au rouge pendant des milliers d'heures, et c'est aux joints de grains qu'elles fluent (s'étirent lentement) et se fissurent.

Photo : Lee Langston, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Moulage monocristallin · four à extraction et types de grainsLe schéma de gauche montre le moule d'aube retiré du four ; l'encadré de droite compare les types de grains. Les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Fabriquer un moule céramique. Comme en fonderie à la cire perdue (leçon 1.2), une aube en cire est enrobée de céramique puis éliminée par fusion. Un noyau céramique à l'intérieur forme les canaux de refroidissement de l'aube, et un passage en spirale, le sélecteur de grain, est ajouté sous l'aube.
Couler dans un moule chaud. Le moule repose sur une plaque de refroidissement dans un four sous vide, pour que le superalliage de nickel ne réagisse pas avec l'air. Le moule est chauffé au-dessus du point de fusion du métal, vers 1 500 °C, et le métal est coulé.
Commencer à figer par le bas. La plaque de refroidissement à eau fige d'abord le métal en bas. De nombreux petits cristaux naissent dans le bloc de départ et croissent tous vers le haut.
Laisser passer un seul cristal. Le sélecteur de grain en spirale est trop tortueux pour que la plupart des cristaux le suivent ; un seul, en général, en sort par le haut. On peut utiliser un germe cristallin à la place pour imposer son orientation.
Extraire lentement. Le moule est descendu hors de la zone chaude à travers un écran, généralement de quelques centimètres par heure. Le front de solidification reste plan au niveau de l'écran et le monocristal croît vers le haut dans toute l'aube.
Retirer la coquille et contrôler. La céramique est cassée et le noyau dissous. Chaque aube est attaquée chimiquement et contrôlée, par rayons X et mesure de l'orientation cristalline, pour confirmer qu'il s'agit d'un seul cristal.

Chiffres clés

Matériaux: Superalliages à base de nickel (alliages résistants à la chaleur de nickel avec du chrome, du cobalt, de l'aluminium, du rhénium et d'autres éléments)
Pièces typiques: Aubes mobiles et aubes fixes de turbines haute pression des moteurs d'avion et des turbines à gaz
Taille de pièce: Les aubes d'avion mesurent de quelques centimètres à environ 15 cm ; celles de centrales peuvent être plusieurs fois plus grandes
Précision: Niveau de la fonderie à la cire perdue, environ ±0,1 mm, avec de fins trous de refroidissement percés ensuite
État de surface: Lisse : Ra (rugosité moyenne) d'environ 1 à 3 µm, puis revêtu
Taille de série adaptée: De milliers à centaines de milliers d'aubes par an et par programme moteur
Coût d'outillage et de machine: Les fours d'extraction sous vide coûtent des millions de dollars ; chaque aube coûte de centaines à milliers de dollars
Vitesse: Lent : quelques heures par extraction, avec plusieurs moules par charge de four

Atouts et limites

Atouts

Pas de joints de grains : excellente résistance au fluage et à la fissuration au rouge
Permet aux moteurs de fonctionner plus chauds, ce qui économise du carburant
L'orientation cristalline peut être choisie pour la meilleure rigidité et la meilleure tenue en fatigue
Les canaux de refroidissement internes complexes viennent du noyau céramique

Limites

Très lent et coûteux
De nombreuses aubes sont mises au rebut quand des grains parasites se forment
Exige des fours sous vide et des alliages coûteux contenant des éléments rares comme le rhénium
Réaliste seulement pour de petites pièces de très grande valeur

Où on l'utilise

AéronautiqueAubes mobiles et aubes fixes de turbines haute pression de moteurs d'avion
Production d'énergieAubes du premier étage de grandes turbines à gaz
DéfenseMoteurs d'avions militaires et d'hélicoptères
RechercheÉprouvettes monocristallines pour l'étude des alliages

Comment le reconnaître

On ne le voit généralement pas sur une aube finie et revêtue : elle ressemble à n'importe quelle pièce de fonderie de précision.
Après attaque chimique (un bain d'acide qui révèle les grains), une aube monocristalline montre une surface uniforme sans aucun dessin de grains.
Une aube coulée ordinaire montre un patchwork de grains ; une aube à solidification dirigée montre de longues bandes du pied à la tête.
De minuscules trous de refroidissement en surface et un pied en sapin, typiques des aubes de la partie chaude.

À comparer avec

Fonderie à cire perdue1.2la même méthode de cire et de coque céramique ; le moulage monocristallin ajoute une solidification lente et contrôlée à partir d'une extrémité.Croissance cristalline Czochralski13.1fait aussi croître un monocristal, mais en tirant du silicium d'un bain pour faire des lingots ronds, pas des pièces profilées.Fusion laser sur lit de poudre8.4construit des pièces en superalliage couche par couche, mais avec de nombreux petits grains.

À regarder

Magic Marks · Une courte explication de la solidification lente et unidirectionnelle à l'origine des monocristaux

Asianometry · L'histoire des aubes, des aubes ordinaires aux aubes colonnaires puis monocristallines

Jetline Marvel · Pourquoi ces aubes sont si difficiles à fabriquer et pourquoi tant sont rebutées

The Business Times · Images réelles d'une usine d'aubes de turbines

Voir de vraies photos

Wikipédia : Turbine blade — matériaux des aubes, refroidissement et contexte de la fonderie
Wikipédia : Directional solidification — la méthode de solidification lente et unidirectionnelle
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Le but est une pièce sans joints de grains, qui sont faibles au rouge.
Une solidification lente de bas en haut, plus un sélecteur en spirale, ne laisse croître qu'un seul cristal.
Extrêmement lent et coûteux : il est donc réservé aux aubes de turbines les plus chaudes.