Estimation de propriétés thermophysiques : application aux métaux à l'état liquide

Estimation of thermophysical properties : application to metals in liquid state

• Auteur / Autrice : Dylan Le Maux
• Direction : Philippe Le Masson, Mickaël Courtois, Thomas Pierre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Patrice Peyre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Delmas, Christophe Le Niliot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Lanzetta, Fabien Soulié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Effets des hautes températures

Tension superficielle

Densité

Propriétés thermiques

Métaux liquides

Mots clés libres

Lévitation aérodynamique

Liquid metal

Density, surface

Tension

Aerodynamic levitation

High temperatures

Résumé

Il existe, venant de l’industrie et des laboratoires de recherches, un besoin de connaissance des propriétés thermophysiques des métaux à l’état liquide (1 700 K – 3 000 K). Cette thèse s’est donc posée comme objectif de développer un dispositif expérimental de mesure de la masse volumique et de la tension superficielle de ces matériaux, et plus particulièrement les aciers. Les deux méthodes de mesure sont basées sur le principe de la goutte en lévitation aérodynamique, chauffée par laser et placée dans une enceinte étanche rempli avec un gaz neutre. Ces critères répondent à une importante exigence en matière de non-pollution de la goutte par des corps étrangers (principalement creuset et oxygène). La masse volumique est mesurée en observant avec une caméra haute vitesse la variation de volume de la goutte lors de son refroidissement et en pesant la goutte solidifiée. Cette première méthode a donné des résultats satisfaisant sur des corps purs en comparaison de la littérature et a été appliquée à un acier industriel. La tension superficielle est mesurée en observant la fréquence de résonnance de la goutte mise en oscillation par une excitation acoustique. Une attention particulière a été portée sur la stabilité aérodynamique de la goutte et des développements ont été entrepris pour annuler les rotations hasardeuses de l’échantillon facilitant ainsi la mesure. Cette méthode donne des premiers résultats encourageants mais requiert des développements supplémentaires pour éviter une pollution impactant les résultats obtenus.

There is a demand from industry and research laboratories for the thermophysical properties of metals in the liquid state (1700 K - 3000 K). This thesis, therefore, set the goal of developing an experimental device for measuring the density and surface tension of such materials and particularly steels. The two measurement methods are based on the principle of the drop in aerodynamic levitation, heated by a laser and positioned in a vacuum chamber filled with a neutral gas. These criteria are set because of an important requirement about the non-pollution of the drop by foreign bodies (mostly crucible and oxygen). The density is measured by observing with a high speed camera the volume variation of the drop during the cooling and by weighting the solidified drop. This first method gave satisfying results on pure substances in comparison with the literature and was applied to an industrial steel. The surface tension is measured by observing the resonance frequency of the drop oscillating thanks to an acoustic excitation. A particular attention is given to the aerodynamic levitation of drop and developments have been undertaken to cancel the hazardous motions of the sample thus facilitating the measurement. This method gives satisfactory results but requires additional developments to avoid pollution impacting the results obtained.