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Mickaël Courtois1, Dylan Le Maux1, Thomas Pierre1, Helcio R. B. Orlande2, Bernard Lamien3, Muriel Carin1, Philippe Le Masson1, Jean-Claude Krapez4, Christophe Rodiet5
1 Univ. Bretagne Sud, UMR CNRS 6027, IRDL, F-56100 Lorient, France.
2 Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.
3 École Polytechnique de Ouagadougou, 18 BP 234, Ouagadougou, Burkina Faso.
4 ONERA – The French Aerospace Lab – Centre de Salon de Provence, France.
5 Université de Reims Champagne Ardenne, ITheMM EA 7548, 51097 Reims, France.
Les variations de températures que subissent les métaux lors de procédés industriels métallurgiques, tels que le soudage ou la fabrication additive, font qu’ils passent indifféremment de l’état solide à l’état liquide, voire à celui de vapeur. Les simulations numériques multiphysiques de ces procédés sont de plus en plus utilisées pour optimiser les paramètres opératoires ou mieux comprendre l’origine des défauts des pièces assemblées ou fabriquées. Afin d’assurer la fiabilité de ces modèles, il est nécessaire de connaître précisément les nombreuses propriétés physiques, lesquelles peuvent dépendre fortement de la température. Le fait est que ces données deviennent de plus en plus rares quand les températures augmentent surtout à partir et au-delà de l’état liquide. Le développement de dispositif de caractérisation approprié est donc une nécessité. Parmi toutes les techniques existantes, celle de la lévitation est aisément modulable et permet la détermination de plusieurs propriétés.
Un dispositif de lévitation aérodynamique (Figs. 1 à 2) développé au sein du laboratoire CNRS Institut de Recherche Dupuy de Lôme (IRDL) a été présenté dans le cadre du congrès brésilien dédié aux sciences et à l’ingénierie thermiques ENCIT2022 (https://eventos.abcm.org.br/encit2022/) ayant eu lieu du 6 au 10 novembre 2022 à Bento Gonçalves, RS. L’équipe, basée à Lorient en France, l’a adapté pour la caractérisation de métaux dans la gamme de température 1 500 °C – 3 000 °C ; les propriétés visées sont la masse volumique, la tension de surface, la viscosité, la diffusivité et la conductivité thermiques, ainsi que les propriétés radiatives d’émission.
Fig. 1. Dispositif expérimental de lévitation aérodynamique.
La détermination de la masse volumique et de la tension de surface de métaux purs et d’alliages a été achevée [1][2][3] ; celle de la viscosité est toujours à l’étude et nous proposons de présenter les premiers résultats [4] lors du prochain congrès de la société française de thermique qui aura lieu du 30 mai au 2 juin 2023 à Reims (https://2023.congres-sft.fr/).
La possibilité d’estimer la diffusivité et la conductivité thermiques par méthode flash sur l’échantillon en lévitation a été l’objet de collaboration avec l’UFRJ et l’ÉPO [5]. Un modèle théorique de l’échantillon en coordonnées sphériques a été développé avec le flux laser comme donnée d’entrée et le flux radiatif émis par la sphère comme observable. Le modèle possède de nombreux paramètres mal connus, voire inconnus, a priori. De plus, l’étude de sensibilité a montré une forte corrélation entre les paramètres et que l’estimation des deux propriétés d’intérêt par techniques inverses déterministes (moindres-carrés avec Gauss-Newton) et stochastiques (méthode bayésienne avec MCMC) n’est possible qu’avec une bonne connaissance des autres paramètres.
Fig. 2. L’échantillon métallique en lévitation.
Enfin, l’estimation de l’émissivité des métaux se fait conjointement avec celle de la température par méthodes multispectrales et toujours par techniques inverses. Le dispositif de lévitation est en effet équipé d’un pyromètre six couleurs développé à l’IRDL. La forte corrélation entre la température et l’émissivité est un problème récurrent en pyrométrie. Le succès et la qualité de l’estimation dépendent principalement de l’a priori sur l’émissivité, par exemple selon la gamme spectrale du pyromètre ; mais aussi d’autres informations comme la température de changement de phase si le matériau est connu. Plusieurs techniques d’estimation ont été utilisées (moindres-carrés, bayésien) et présentent des résultats encourageants. Les travaux ont été effectués en collaboration avec d’autres laboratoires [6][7][8].
La présentation au congrès ENCIT2022 a été effectuée par Thomas Pierre, MCF UBS, invité par Helcio R. B. Orlande, Pr. UFRJ, grâce à la chaire FAPERJ et à l’Ambassade de France à Rio de Janeiro. Cette invitation est la troisième après celle de Philippe Le Masson, Pr. UBS, par l’UJRF/IMPA ; puis celle d’Helcio R. B. Orlande par l’UBS.
[1] Le Maux D, et al., Rev. Sci. Instrum. 90, 074904 (2019). Online. [2] Le Maux, D, et al., Journal of Materials Science, vol. 57, no 25, juillet 2022, p. 12094‑106. Online. [3] Klapczynski, V, et al., Scripta Materialia, vol. 221, décembre 2022, p. 114944. Online. [4] Le Maux D, et al., congrès SFT, 30 mai – 2 juin 2023, Reims, France. [5] Lamien B, et al, International Journal of Heat and Mass Transfer, 141, p. 265-281, 2019. Online. [6] Pierre T, et al., International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 183, 2022, p. 122077. Online. [7] Pierre T, et al., “Multiple inversion techniques with multispectral pyrometry for the estimation of temperature and emissivity of liquid niobium and 100c6 steel”, Heat transfer engineering, accepté pour publication. [8] Lamien B, et al., “Temperature estimation using particle filter techniques – Application on liquid niobium and 100c6 steel”, High temperatures – high pressures, accepté pour publication.
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