Recyclage Écoresponsable des Copeaux de Ti6Al4V issus de l'Aéronautique (RECoTiA)

Recycling of Ti6Al4V chips from the aerospace industry (RECoTiA)

• Auteur / Autrice : Gauthier Grejois
• Direction : Fabienne Espitalier, Michel Mousseigne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RAPSODEE - Centre de Recherche d'Albi en Génie des Procédés, des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Recyclage

Ti6Al4V

Aéronautique

Ecoresponsable

CO2 supercritique

Ti6Al4V

Recycling

Aerospace

Ecoresponsible

Supercritical CO2

Résumé

Le Ti-6Al-4V est un alliage de titane composé de 90 % Ti, 6 % Al et 4 % V, largement utilisé en aéronautique pour ses propriétés mécaniques, sa légèreté et sa résistance à la corrosion. 50 % de la production mondiale de titane est dédiée à la production de cet alliage . L'usinage de cet alliage pour la fabrication de pièces aéronautiques génère de grandes quantités de copeaux contaminés, puisqu'environ 90 % du matériau initial est éliminé sous forme de copeaux. Ces copeaux sont contaminés par de l'émulsion, un mélange d'huiles de coupe et d'eau. La décontamination des copeaux de Ti-6Al-4V repose actuellement sur des solvants chlorés. Cette étude explore deux procédés alternatifs : l'un basé sur le CO₂ supercritique (CO2sc) et l'autre sur l'eau subcritique (H2Osub). La première étape du projet consiste à quantifier l'émulsion à la surface les copeaux de Ti-6Al-4V, la seconde consiste à utiliser un solvant dit « vert » pour l'environnement (CO2sc ou H2Osub) afin de dépolluer les copeaux. La contamination du Ti-6Al-4V est présente sous trois formes d'émulsion : évaporée, décantée et en surface. Pour les deux premières, après une méthode d'évaporation et d'échantillonnage, la fraction massique d'émulsion évaporée et décantée des copeaux par rapport à l'échantillon global est de 1,9 % et 9,5 % respectivement. Les méthodes de caractérisation de l'émulsion en surface des copeaux consistent dans un premier temps en un nettoyage chimique (bain à ultrasons, eau savonneuse), thermique (500 °C, four à moufle) ou mécanique (centrifugeuse). Ces méthodes ont fourni des résultats similaires, de l'ordre de 0,35 % massique d'émulsion à la surface des copeaux de Ti-6Al-4V. Lors d'un congrès sur les fluides supercritiques, une société a partagé les résultats de ses travaux sur le nettoyage par du CO2sc de copeaux de Ti-6Al-4V. La caractérisation de la teneur en émulsion des copeaux, s'est faite par de l'extraction au Soxhlet avec de l'éthanol comme solvant. Les résultats obtenus sont de la l'ordre de 2 à 4% massique d'émulsion sur les copeaux de Ti-6Al-4V. L'utilisation du Soxhlet pour caractériser les copeaux reçus dans le cadre du projet RECoTiA, a permis de calculer une valeur de 2,1 % massique d'émulsion en surface. Ainsi les méthodes de caractérisation précédentes semblent sous-estimer la teneur en huile à la surface des copeaux pollués, et la caractérisation de celle-ci se fera par extraction par Soxhlet avec de l'éthanol pour le reste du projet RECoTiA. Avant de passer au procédé de nettoyage des copeaux, une étude sur la solubilité de l'huile de coupe dans le CO2sc est réalisée dans une cellule haute pression avec un accès optique de 18 mL (Figure 1). L'objectif est de calculer la quantité d'huile de coupe qu'une quantité connue de CO2 peut solubiliser à une température et une pression donnée. Cette information permettra d'estimer le temps requis pour le nettoyage des copeaux dans un procédé semi continu constitué d'un autoclave d'une capacité de 2L pour les copeaux. Figure 1 Schéma de la cellule haute pression Ainsi, dans une cellule haute pression, 0,5 g d'huile et 14 g de CO2 sont mélangés. Une caméra permet d'observer à travers les vitres en Pyrex la solubilisation de l'huile à l'intérieur de la cellule. La cellule est reliée à une pompe ISCO pour contrôler la pression et est immergée dans une cuve remplie d'eau dont la température est contrôlée par un bain thermostaté. Pour déterminer le temps de solubilisation théorique minimal t_solubilisation de l'huile dans le CO2, lors du traitement des copeaux pollués dans l'autoclave de 2 L. La solubilité obtenue dans la cellule haute pression sera considéré. A débit de CO2 fixé et en supposant que le CO2 est saturé par l'huile en sortie de l'autoclave, il est possible d'obtenir le temps minimal nécessaire au nettoyage complet des copeaux Les premiers essais de solubilité effectués dans la cellule ont montré que l'émulsion (0.5 g) demeure insoluble dans 14 g de CO2 à 40 °C et 150 bar. En revanche, l'ajout d'éthanol (0,789 g) au CO2 (14 g) comme co-solvant, dans les mêmes conditions opératoires (40 °C, 150 bar), a démontré une diminution du niveau d'huile dans la cellule au bout de 6 h. La solubilisation de l'huile facilitée par l'ajout d'éthanol ouvre ainsi une nouvelle piste dans le projet. Les prochaines expériences impliqueront de l'éthanol comme co-solvant avec des variations de pression, d'agitation et des masses introduites pour diminuer le temps d'obtention de l'équilibre thermodynamique.

Ti-6Al-4V is a titanium alloy composed of 90% Ti, 6% Al and 4% V, widely used in aeronautics for its mechanical properties, lightness and corrosion resistance. 50% of global titanium production is dedicated to the production of this alloy. The machining of this alloy for the manufacture of aerospace parts generates large quantities of contaminated chips, since approximately 90% of the initial material is removed in the form of chips. These chips are contaminated with emulsion, a mixture of cutting oils and water. The decontamination of Ti-6Al-4V chips currently relies on chlorinated solvents. This study explores two alternative processes: one based on supercritical CO₂ (CO₂sc) and the other on subcritical water (H₂Osub). The first stage of the project consists of quantifying the emulsion on the surface of the Ti-6Al-4V chips, while the second stage involves using an environmentally friendly solvent (CO₂sc or H₂Osub) to decontaminate the chips. Contamination of Ti-6Al-4V is present in three forms of emulsion: evaporated, decanted and surface. For the first two, after evaporation and sampling, the mass fraction of evaporated and decanted emulsion from the chips relative to the overall sample is 1.9% and 9.5% respectively. The methods used to characterise the surface emulsion of the chips consist firstly of chemical cleaning (ultrasonic bath, soapy water), thermal cleaning (500 °C, muffle furnace) or mechanical cleaning (centrifuge). These methods yielded similar results, in the order of 0.35% by mass of emulsion on the surface of Ti-6Al-4V chips. At a conference on supercritical fluids, a company shared the results of its work on cleaning Ti-6Al-4V chips with sc CO₂. The emulsion content of the chips was characterised using Soxhlet extraction with ethanol as the solvent. The results obtained were in the order of 2 to 4% by mass of emulsion on the Ti-6Al-4V chips. The use of Soxhlet to characterise the chips received as part of the RECoTiA project made it possible to calculate a value of 2.1% by mass of surface emulsion. Thus, the previous characterisation methods appear to underestimate the oil content on the surface of the contaminated chips, and characterisation will be carried out by Soxhlet extraction with ethanol for the remainder of the RECoTiA project. Before moving on to the chip cleaning process, a study on the solubility of cutting oil in CO2sc is carried out in a high-pressure cell with an optical access of 18 mL (Figure 1). The objective is to calculate the amount of cutting oil that a known quantity of CO2 can solubilise at a given temperature and pressure. This information will be used to estimate the time required to clean the chips in a semi-continuous process consisting of a 2L capacity autoclave for the chips. Figure 1 Diagram of the high-pressure cell Thus, in a high-pressure cell, 0.5 g of oil and 14 g of CO2 are mixed. A camera allows the solubilisation of the oil inside the cell to be observed through the Pyrex windows. The cell is connected to an ISCO pump to control the pressure and is immersed in a tank filled with water, the temperature of which is controlled by a thermostatic bath. To determine the theoretical minimum solubilisation time t_solubilisation of the oil in CO2 when treating contaminated chips in the 2 L autoclave, the solubility obtained in the high-pressure cell will be considered. At a fixed CO2 flow rate and assuming that the CO2 is saturated with oil at the outlet of the autoclave, it is possible to obtain the minimum time required for complete cleaning of the chips. Initial solubility tests carried out in the cell showed that the emulsion (0.5 g) remains insoluble in 14 g of CO2 at 40 °C and 150 bar. However, the addition of ethanol (0.789 g) to CO₂ (14 g) as a co-solvent, under the same operating conditions (40 °C, 150 bar), showed a decrease in the oil level in the cell after 6 hours. The solubilisation of the oil facilitated by the addition of ethanol thus opens up a new avenue for the project. Future experiments will involve ethanol as a co-solvent with variations in pressure, agitation and masses introduced to reduce the time required to achieve thermodynamic equilibrium.