Pourquoi les moteurs à réaction ne fondent-ils pas ?

La chambre de combustion d'un turbofan moderne comme le GE9X ou le Rolls-Royce Trent XWB délivre du gaz au premier étage de turbine à des températures proches de 1 600 °C, avec des pics encore plus élevés. Les aubes de cet étage sont fabriquées par moulage à partir de superalliages à base de nickel dont le point de fusion se situe vers 1 300-1 350 °C, et qui commencent à perdre leur résistance bien avant d'atteindre ce chiffre. Sur le papier, l'aube devrait céder en quelques secondes. Ce n'est pas le cas, car la conception garantit que le métal n'atteint jamais la température du gaz. Trois couches de protection agissent ensemble : un refroidissement interne, un revêtement céramique et une structure cristalline choisie pour résister à la déformation sous charge.

Chaque aube de la turbine haute pression est creuse, avec un réseau de canaux sinueux coulés à l'intérieur. L'air prélevé sur le compresseur, à environ 650 °C, ce qui est froid par comparaison, est pompé à travers ces canaux puis ressort par des centaines d'orifices percés au laser, chacun large d'une fraction de millimètre, sur le bord d'attaque et les surfaces de l'aube. Cet air s'étale en un film fin qui adhère à la surface et l'isole du gaz de combustion. Entre 15 et 25 % du débit d'air du compresseur est utilisé de cette manière, une pénalité considérable que les concepteurs acceptent car chaque tranche supplémentaire de 50 °C de température d'entrée turbine se traduit par des gains mesurables de poussée et d'efficacité. Un revêtement de barrière thermique, généralement de la zircone stabilisée à l'yttrium, une céramique de quelques centaines de micromètres d'épaisseur appliquée par projection plasma ou dépôt en phase vapeur, est appliqué sur l'aube ; il réduit la température du métal de 100 à 150 °C supplémentaires. Dessous, une couche de liaison riche en aluminium forme un oxyde protecteur contre la corrosion.

Même refroidie, l'aube fonctionne à environ 1 000 °C tout en tournant à plus de 10 000 tr/min et en supportant une charge centrifuge équivalente à plusieurs tonnes suspendues à son extrémité. Le métal coulé conventionnel subit un fluage dans ces conditions, s'étirant le long des joints de grains jusqu'à la rupture. Depuis les années 1980, les aubes sont fabriquées sous forme de monocristaux dans des fours à solidification dirigée, éliminant totalement les joints de grains et permettant des températures plus élevées et des durées de vie plus longues. L'étape suivante concerne les composites à matrice céramique, des fibres de carbure de silicium dans une matrice de carbure de silicium, qui pèsent un tiers du poids d'un superalliage et tolèrent environ 1 300 °C sans refroidissement ; GE les a introduits dans les carters et tuyères des moteurs LEAP et GE9X. Le revêtement de la chambre de combustion et les aubes directrices de la tuyère subissent des charges similaires et utilisent un refroidissement comparable, ce qui explique qu'un moteur en fonctionnement puisse être vu briller visiblement à travers son tube d'échappement tandis que le carénage adjacent reste assez froid pour être touché.