Alliage de tantale et de tungstène dans des situations de haute température

Introduction

Historiquement, les alliages ont joué un rôle essentiel dans l'amélioration des processus industriels. L'alliage tantale-tungstène est particulièrement important en raison de sa résistance à la chaleur et de sa longévité.

L'alliage dont il est question ici est composé de deux métaux durs à point de fusion élevé. Le tantale est connu pour sa grande résistance à la corrosion et sa ductilité à haute température. Le tungstène possède l'un des points de fusion les plus élevés parmi les métaux. Ensemble, ils forment un alliage capable de résister à des températures que d'autres alliages ne peuvent supporter.

Alliage tantale-tungstène pour les environnements à haute température

L'alliage tantale-tungstène se comporte admirablement bien dans des conditions de températures extrêmes. L'alliage résiste à des températures bien supérieures à 1500°C. Dans tous les tests, sauf un, ce matériau a conservé sa forme lorsque d'autres métaux ont fondu ou se sont déformés. L'alliage résiste à la dilatation thermique. Cela signifie que lorsque la température augmente, il ne s'élargit pas trop. Dans les applications à haute température, cette caractéristique permet de maintenir la stabilité dimensionnelle.

Des essais spécifiques en laboratoire montrent que l'alliage conserve ses propriétés mécaniques après de longues périodes d'exposition à la chaleur. Les essais ont montré une rétention de la résistance à la traction supérieure à 70 % de la valeur à température ambiante, même à 1 200 °C. En outre, sa conductivité thermique permet une libre dissipation de la chaleur. Cette propriété réduit le risque de point chaud dans les composants soumis à de fortes contraintes.

La microstructure de l'alliage lui confère une résistance au fluage et à la fatigue, qui sont des problèmes courants. Le fluage se réfère à une déformation permanente qui se produit lentement dans le temps sous tension à des températures élevées. L'alliage tantale-tungstène est exceptionnellement résistant au fluage par rapport à d'autres métaux réfractaires. Ce métal est un matériau idéal pour les composants soumis à des tensions constantes dans les fours à haute température ou les chambres de combustion.

L'alliage est également résistant à l'oxydation. L'oxydation détruit très rapidement les matériaux dans la plupart des applications à haute température. La combinaison du tantale et du tungstène réduit l'oxydation rapide. Cette caractéristique permet d'augmenter la durée de vie de l'alliage. L'alliage est normalement utilisé après avoir subi de nombreux tests rigoureux dans un environnement de laboratoire contrôlé qui reproduit les applications réelles.

Utilisé dans les tuyères de fusées, les pales de turbines et les composants de fours à haute température

Les ingénieurs ont appliqué cet alliage à plusieurs composants majeurs de divers systèmes. L'une des principales utilisations est celle des tuyères de fusée. Les tuyères de fusée sont soumises à des contraintes thermiques et mécaniques extrêmement élevées. L'alliage peut résister à l'érosion lorsqu'il subit des cycles de chauffage et de refroidissement rapides. L'alliage apporte une précision dans la poussée ainsi que dans l'efficacité du moteur. Les ingénieurs font généralement remarquer que l'alliage offre un facteur de sécurité que ne possèdent pas la plupart des autres métaux.

Les aubes de turbines des moteurs à réaction et des centrales électriques constituent un autre domaine d'application. Les aubes de turbines sont soumises à de fortes contraintes centrifuges et fonctionnent à des températures proches de 1000°C. L'alliage tantale-tungstène permet aux aubes de conserver leur structure et de résister à la fatigue pendant les nombreux cycles du moteur. C'est important, car une légère défaillance des aubes de turbine peut entraîner des dommages importants et des frais de réparation élevés. Dans la pratique, l'amélioration des composants des turbines grâce à cet alliage a permis d'allonger la durée d'utilisation et de réduire les coûts de maintenance.

Les pièces utilisées dans les fours à haute température peuvent également être utilisées avec cet alliage. Les fours des processus industriels, tels que ceux utilisés pour la fusion des métaux ou la fabrication du verre, nécessitent des composants capables de supporter une chaleur excessive sans se déformer ni se briser. La faible dilatation thermique et les propriétés mécaniques robustes de l'alliage en font un matériau idéal pour la fabrication de pièces de four. Les ingénieurs affirment que les composants de fours fabriqués à partir de l'alliage tantale-tungstène fonctionnent de manière uniforme au cours de nombreux cycles de chauffage. La durabilité du matériau permet de réduire les arrêts pour réparation et de maintenir la ligne de production en activité.

Dans la plupart des cas, les défaillances antérieures des composants des fours étaient dues à des matériaux qui ne supportaient pas les chocs thermiques répétés. L'alliage réduit ce risque. Sa stabilité à long terme et sa résistance à l'oxydation en font un choix privilégié dans les conditions industrielles difficiles.

Conclusion

En résumé, l'alliage tantale-tungstène est un matériau précieux pour les conditions de fonctionnement à haute température. Son ensemble unique de propriétés est très particulier et le positionne comme un concurrent de premier plan pour les applications exigeantes de l'aérospatiale, de la production d'énergie et du traitement industriel. Pour plus de produits d'alliage, veuillez consulter Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

F : Quel est le principal avantage de l'alliage tantale-tungstène ?

Q : Il conserve sa résistance et sa stabilité dimensionnelle à des températures extrêmement élevées.

F : Comment l'alliage résiste-t-il à l'oxydation ?

Q : Il forme une couche d'oxyde protectrice qui ralentit l'oxydation à haute température.

F : Où cet alliage est-il le plus utilisé ?

Q : Il est largement utilisé dans les tuyères de fusées, les pales de turbines et les composants de fours à haute température.