Métaux réfractaires et alliages pour l'aérospatiale

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Métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale

Métaux réfractaires se réfèrent aux métaux dont le point de fusion est supérieur à 2000°C. Ils comprennent du tungstène , molybdène , tantale , niobium, rhénium et vanadium. Les caractéristiques communes des métaux réfractaires et de leurs alliages sont un point de fusion élevé, une résistance élevée à haute température et une bonne résistance à la corrosion des métaux liquides. Leur plage de température d'utilisation est de 1100 ~ 320℃, ce qui est beaucoup plus élevé que celui des superalliages. par conséquent, ce sont des matériaux structurels à haute température importants pour l'aérospatiale. Alors, dans cet article, examinons de plus près les métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale .

Métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale

Métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale – 1. Tantale et  Tantale  Alliages

Alliage de tantale a les caractéristiques d'une résistance élevée à haute température, d'une bonne résistance aux chocs thermiques et d'une résistance élevée au fluage, d'un faible coefficient de dilatation et d'une bonne résistance aux chocs thermiques. Cependant, l'alliage ne résiste pas à l'oxydation au-dessus de 500℃ et il doit être protégé par un revêtement résistant à l'oxydation sur sa surface.

Afin de répondre aux exigences de résistance à haute température et de performance de fluage à haute température, les États-Unis ont développé Ta-10W, Ta-12W, T-111, T-222 , et les alliages ASTAR811C. En plus des alliages susmentionnés, l'ex-Union soviétique a également développé des alliages Ta-3Nb-7.5V, Ta-15W, Ta-20W et Ta-10Hf-5W. L'alliage Ta-10W a été utilisé dans la chambre de combustion du vaisseau spatial Ajina et le cône avant du missile, le becquet de gaz de la tuyère du moteur-fusée et la chambre de combustion d'Apollo.

Métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale - 2. Niobium et alliages de niobium

L'alliage de niobium est le matériau de densité la plus faible parmi les métaux et alliages réfractaires. Il a une résistance élevée à 1100-1650℃ et de bonnes performances de soudage. Il a une bonne plasticité à température ambiante et peut être transformé en plaques minces et en pièces de formes complexes. Par conséquent, il peut être utilisé comme matériau de protection thermique et matériau structurel préféré dans les avions supersoniques, les véhicules spatiaux, les satellites, les missiles et les fusées supersoniques à basse altitude.

Pour les applications aérospatiales, les États-Unis et l'ex-Union soviétique ont développé leurs propres systèmes d'alliages de niobium. Les alliages de niobium des États-Unis utilisent W, Mo et Hf comme principaux éléments de renforcement, et la Russie utilise W, Mo et Zr comme principaux éléments supplémentaires.

Métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale - 3. Molybdène et alliages de molybdène

Bien que la température de fusion du molybdène soit inférieure à celle du tungstène et du tantale, il présente une faible densité, un module d'élasticité élevé, un faible coefficient de dilatation et des propriétés de fluage supérieures à haute température . L'alliage peut être soudé, et la résistance et la plasticité de la soudure répondent aux exigences. Et les performances du processus sont meilleures que celles du tungstène. Ses inconvénients sont une grave fragilisation à basse température et une oxydation à haute température.

Il existe de nombreux types d'alliages de molybdène développés en Russie. En plus des principaux ajouts d'éléments Ti, Zr, C et Re, une petite quantité de Ni, B, Nb, etc. sont également ajoutées pour modifier les matériaux. Les nuances d'alliage sont classées en fonction de la teneur en éléments d'alliage. Il existe 14 types d'alliages. Par rapport à la Russie, il existe moins d'alliages de molybdène développés aux États-Unis, y compris 6 alliages tels que les séries TZM, Mo-30W, TZC, HCM et Mo-41~50Re.

Métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale – 4. Tungstène et alliages de tungstène

Le tungstène est le métal le plus résistant à la chaleur. Le tungstène a une densité élevée (19,3 gcm3). Sa résistance est la plus élevée parmi les métaux réfractaires. Il a un module d'élasticité élevé, un faible coefficient de dilatation et une faible pression de vapeur. Les inconvénients sont la fragilité à basse température et l'oxydation à haute température. Les éléments d'alliage peuvent améliorer considérablement la résistance à l'usure et à la corrosion des alliages de tungstène. Dans l'industrie aérospatiale, le tungstène et ses alliages peuvent être utilisés pour fabriquer des tuyères de fusée sans refroidissement, des anneaux ioniques de moteurs de fusées ioniques, des pales de jet et des anneaux de positionnement, des réflecteurs à gaz chaud et des gouvernails à gaz.

L'utilisation de tungstène au lieu de molybdène comme bague d'entrée et revêtement de gorge d'un moteur à fusée solide peut augmenter la température du matériau de 1760℃ à plus de 3320℃. Par exemple, la tuyère du missile américain Polaris A-3 est constituée de tubes en tungstène haute température avec une pénétration d'argent de 10 à 15 %; les tuyères des fusées du vaisseau spatial Apollo sont également en tungstène. United Aircraft Corporation des États-Unis a développé un tungstène-cuivre matériau composite utilisé comme chicane de tuyère d'un moteur-fusée, qui peut supporter une température de combustion dépassant le point de fusion du tungstène de 3400℃.

Métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale – 5. Rhénium et alliages de rhénium

Le rhénium a un point de fusion de 3180°C et n'a pas de température de transition critique fragile. Il présente une bonne résistance au fluage dans des conditions de température élevée et de froid extrême et de chaleur extrême et convient aux environnements de travail à ultra-haute température et à fort choc thermique. Le rhénium est chimiquement inerte vis-à-vis de la plupart des gaz combustibles, à l'exception de l'oxygène. La résistance à la traction à température ambiante du rhénium est de 1172MPa, et il a toujours une résistance de 48MPa à 2200℃. À 2 200 ℃, les tuyères des moteurs en rhénium peuvent résister à 100 000 cycles de fatigue thermique.

Le rhénium et ses alliages sont principalement utilisés dans les composants aérospatiaux, divers composants thermosensibles de propulsion solide et les revêtements anti-oxydation. La feuille de rhénium préparé en Chine a été utilisé avec succès pour récupérer des satellites. L'alliage Re-Mo a toujours une résistance mécanique élevée jusqu'à 2000 ℃ et peut être utilisé comme pièces à haute température d'avions et de missiles supersoniques. Le rhénium métallique est résistant à la corrosion par l'hydrogène chaud et a une faible perméabilité à l'hydrogène. Il peut être utilisé pour fabriquer des pièces d'échangeur de chaleur pour les fusées solaires. Grâce à cette partie de l'échangeur de chaleur, l'énergie thermique du rayonnement solaire est transférée à l'hydrogène gazeux, puis l'hydrogène gazeux est aspiré dans le tube de rhénium , ce qui génère une poussée. La température maximale de fonctionnement du tube de rhénium peut atteindre 2500℃.

Conclusion 

Merci d'avoir lu notre article et nous espérons qu'il pourra vous aider à mieux comprendre les métaux et alliages réfractaires pour l'aérospatiale . Si vous souhaitez en savoir plus sur les métaux et alliages réfractaires, nous vous conseillons de visiter Métaux réfractaires avancés (ARM ) pour plus d'informations.

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