Fin 2015, deux Marines ont été tués et 20 autres blessés après l’écrasement d’un MV-22 Osprey lors d’un entraînement préalable au déploiement à la base aérienne de Bellows à Hawaï. Le coupable était des particules de sable et de poussière en suspension dans l’air qui ont provoqué des conditions de baisse de tension pour les aviateurs et ont été ingérées dans les moteurs de l’avion, fondant en raison des températures élevées et dégradant les composants internes compromettant la puissance et la portance de l’avion.
Moins d’un mois plus tard, lorsque le volcan Momotombo est entré en éruption, les vols commerciaux ont été contraints de rester au sol pour éviter l’ingestion de particules provenant de l’explosion persistante du volcan.
Le sable, la poussière et les autres particules sont une épine dans le pied de la technologie aéronautique depuis des décennies. Dans les années 90, le problème était principalement centré sur l’érosion, mais de meilleurs revêtements sur les moteurs ont résolu ce problème.
Désormais, le problème est davantage lié aux températures élevées générées dans les nouveaux moteurs à turbine, ce qui permet d’augmenter les performances et la puissance. À leur détriment, cependant, ces températures plus élevées font fondre les particules lorsqu’elles sont ingérées dans le moteur, ce qui peut obstruer la turbine.
Étudiant en physique de la Naval Postgraduate School (NPS) et boursier Meyer, le lieutenant Erick Samayoa et son conseiller, le Dr Andy Nieto, professeur adjoint NPS de génie mécanique et aérospatial (MAE) – avec l’aide de son collègue professeur adjoint de recherche NPS MAE Troy Ansell et UC San Jian Luo, professeur à Diego NanoEngineering, a découvert que les céramiques à ultra-haute température (UHTC) pourraient être phobiques du sable. En d’autres termes, le sable fondu ne leur colle pas.
Leur étude, financée par le programme d’ingénierie stratégique et de développement de la recherche (SERDP), a été la première à examiner le potentiel d’utilisation des UHTC dans les turbines d’avions. Le SERDP est un effort conjoint du ministère de la Défense (DoD), de l’Agence de protection de l’environnement (EPA) et du ministère de l’Énergie (DoE). Ce projet faisait partie d’une collaboration entre le NPS, le laboratoire de l’armée américaine, l’université de Stony Brook et la société de matériaux Oerlikon Metco.
Alors que différentes entreprises ont développé des filtres pour réduire l’apport de sable, il est presque impossible de garder chaque particule hors d’une turbine, et malheureusement, les plus petites particules sont celles qui fondent le plus facilement. D’autres recherches ont cherché des moyens de ralentir la fonte du sable et d’autres particules en les resolidifiant rapidement grâce à l’introduction d’une contre-réaction, mais cela n’a pas empêché les particules de coller au moteur en premier lieu.
L’équipe NPS a donc décidé d’examiner le problème du point de vue des matériaux. Avant de venir au NPS il y a environ quatre ans, Nieto a travaillé au Laboratoire de recherche de l’armée américaine (ARL) et a apporté ses recherches et son partenariat avec l’ARL avec lui au NPS.
Ansell a apporté à l’équipe des images de différentes particules exposées à des températures ultra-élevées capturées avec un microscope électronique à transmission pour voir si et comment elles interagissaient avec les UHTC. Luo a fourni les matériaux céramiques et a aidé à analyser les résultats en utilisant son expertise dans les céramiques à haute entropie.
Samayoa dit que tout ce projet était une courbe d’apprentissage lourde depuis qu’il était étudiant en physique, mais la recherche correspondait bien à ses objectifs. Et la qualité de son travail a montré, a affirmé Nieto, affirmant que les recherches effectuées par Samayoa seraient un travail digne d’un doctorat. élève.
Le défi de simuler la chaleur émise par les turbines à gaz modernes ajoute à la complexité de la recherche utilisant l’UHTC. Les chercheurs devaient trouver un moyen de tester les matériaux à cette température, obligeant l’équipe à acquérir le four le plus chaud que NPS ait jamais eu. Une fois opérationnel, l’équipe de recherche a développé un projet pour tester les UHTC à différentes températures pendant différentes durées.
« Nous avons même été les premiers à expérimenter à ces températures plus élevées pour n’importe quel matériau pour ces applications », déclare Nieto. « Il était tout à fait inattendu qu’au fur et à mesure que vous montiez en température, vous obteniez en fait un certain degré d’inertie chimique de ces céramiques à ultra-haute température où elles n’interagissaient pas avec le sable fondu. Cela ouvre une voie possible dans la façon dont nous conçoivent ces moteurs. »
Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue, Materialiaen décembre 2021.
Andy Nieto et al, Réactivité dépendante de la température inhabituelle des borures de céramique à ultra-haute température (UHTC) avec calcia-magnésie-alumine-silicate (CMAS), Materialia (2021). DOI : 10.1016/j.mtla.2021.101265
Fourni par l’École supérieure navale