Développement aux États-Unis d'un système d'atomisation de poudres de métaux réfractaires au service du développement de matériaux pour l'énergie de fusion

Des chercheurs américains développent un nouveau système d'atomisation de poudres de métaux réfractaires destiné à produire des poudres d'alliages haute température pour des applications en environnements extrêmes. Ce système soutiendra le développement de nouveaux matériaux dans les domaines des turbines à gaz, des équipements aérospatiaux et des systèmes d'énergie de fusion.

Le scientifique Jordan Tiarks du Laboratoire national d'Ames (Ames National Laboratory) a indiqué que ce laboratoire mène depuis longtemps des recherches sur la préparation de poudres spéciales, et que le nouveau système permettra d'étendre les capacités de traitement des matériaux à des plages de températures plus élevées et à des systèmes de matériaux plus difficiles à traiter.

L'équipe de recherche explique que les poudres métalliques constituent une base importante pour les technologies de fabrication avancées telles que la métallurgie des poudres et la fabrication additive, et peuvent être utilisées pour produire avec précision des composants complexes et des alliages spéciaux. Pour certains alliages haute température, les procédés traditionnels peinent à satisfaire la qualité des poudres et l'échelle d'approvisionnement requises pour la recherche et le développement. Le nouveau système peut traiter des matériaux à des températures allant jusqu'à 3400 °C, avec une cadence de production de poudres pouvant atteindre 1 kg par minute, contribuant ainsi à fournir des échantillons suffisants pour le développement, les tests et la mise à l'échelle de nouveaux matériaux.

Actuellement, les turbines à gaz terrestres et aérospatiales utilisent principalement des superalliages à base de nickel ou de cobalt. Pour maintenir leur efficacité à des températures plus élevées, ces équipements nécessitent généralement des systèmes de refroidissement complexes et des revêtements d'isolation thermique coûteux. Les chercheurs souhaitent développer de nouveaux alliages capables de résister à des conditions de température plus sévères afin d'améliorer les performances et de réduire les besoins en refroidissement. Tiarks a déclaré que certaines équipes de recherche ont déjà proposé des conceptions d'alliages, mais que l'obtention de poudres métalliques testables nécessite souvent de longues périodes d'attente.

L'Agence de projets de recherche avancée du Département de l'Énergie des États-Unis (ARPA-E) estime que le goulot d'étranglement actuel ne réside pas seulement dans les nouveaux alliages eux-mêmes, mais aussi dans le manque d'équipements de recherche capables de produire des poudres d'alliages en quantité suffisante et de haute qualité. Le Laboratoire national d'Ames, fort de nombreuses années d'expérience dans le domaine de la métallurgie des poudres, a donc été chargé de développer ces capacités.

Selon les informations fournies, le nouveau système utilise un procédé de plasma à arc transféré qui ne nécessite pas d'électrodes spéciales, mais qui fond localement la matière première avant l'atomisation au moyen d'un plasma à haute énergie. La matière première peut se présenter sous différentes formes physiques, telles que des barres ou des blocs, à condition que sa composition reste stable. Le processus de fusion se déroule dans un four en cuivre refroidi à l'eau ; la couche externe du matériau fondu se solidifie contre la paroi du four en cuivre, formant une fine structure de protection solide appelée « croûte de four » (skull), qui isole le matériau en fusion à ultra-haute température de la paroi en cuivre refroidie.

Ce procédé ne fond qu'une petite quantité de matériau à la fois. Tiarks a indiqué que la fusion locale permet d'une part de réduire les risques de sécurité en évitant qu'une grande quantité de métal à ultra-haute température ne soit simultanément à l'état fondu, et d'autre part de raccourcir la durée d'exposition du matériau aux températures élevées, ce qui contribue à préserver la pureté et à contrôler la réactivité du matériau.

Cet atomiseur de poudres de métaux réfractaires viendra compléter le parc d'équipements d'atomisation existant du Laboratoire national d'Ames, en se concentrant sur les métaux et alliages nécessitant des températures de traitement plus élevées. Pour les alliages conventionnels pouvant être traités à des températures plus basses, les atomiseurs à induction et les atomiseurs à couplage rapproché existants du laboratoire offrent une efficacité supérieure, avec des rendements de 50 % à 60 % dans la plage granulométrique optimale ; en comparaison, l'atomiseur de poudres de métaux réfractaires affiche un rendement typique d'environ 10 % à 20 % dans la production de poudres d'alliages haute température.