Endommagement de surface par impact de jet d azote à haute

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1 Endommagement de surface par impact de jet d azote à haute pression et basse température H. LARIBOU 1, C. FRESSENGEAS 1, D. ENTEMEYER 1, V. JEANCLAUDE 1, A. TAZIBT 2 1 Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux, Université Paul Verlaine Metz / CNRS, Ile du Saulcy, Metz Cedex 1 2 CRITT TJF&U Laboratoire Jet Fluide Très Hautes Pressions, Parc Bradfer, Bar-le-Duc Résumé Selon le matériau d essai, le choc thermo-mécanique assisté d un effet de souffle dû à l impact d un jet d azote à haute pression (jusqu à 3000 bars) et basse température (jusqu à -150 C) est susceptible d activer des mécanismes d endommagement extrêmement variés. Les paramètres de tir (distance de tir, temps d exposition, pression de consigne) jouent également un rôle considérable en modulant ces mécanismes. Une exploration des mécanismes d endommagement dans des matériaux métalliques et de l influence des paramètres de tir sur cet endommagement est présentée, ainsi que les premières évaluations des paramètres thermo mécaniques de l impact du jet. Abstract Depending on the test material, the thermo-mechanical shock and blow-away effect induced by the impact of a high-pressure, low-temperature, nitrogen jet on a target can activate a wide range of damage mechanisms, including cleavage, void expansion, crack nucleation and spalling. The test parameters (standoff distance, dwell time, pressure of instructions) also play a role in selecting the dominant mechanism. An overview of the damage mechanisms in metallic materials as well as the influence of test parameters on damage is presented, along with measurements of the thermo-mechanical variables (impact force, temperature) in the impact area. Mots clés Jet d azote, choc thermomécanique, impact fluidique, fissuration, écaillage, faïençage, clivage, décapage, traitement de surface. Nomenclature : λ Conductivité thermique Cp Capacité calorifique α Diffusivité thermique E Module d Young ρ Masse volumique dtir Distance de tir Rm Limite à la rupture texpo Temps d exposition Rp 0.2% Limite d élasticité Introduction Un jet d azote sous haute pression et basse température est utilisé dans un procédé de décapage et de traitement de surface en cours de développement. Ce procédé se présente comme une écotechnologie au regard d autres procédés de traitement de surface (décapage chimique, grenaillage, jet d eau, ). Il est à ce point innovant que la littérature scientifique et technique internationale semble vierge de toute référence à son sujet. Par analogie et dans une première approche, il est tentant d extrapoler au cas du jet d azote les mécanismes d endommagement de surface dus aux jets d eau à haute pression ou aux jets cryogéniques de gaz carbonique. Cependant, les conditions thermo mécaniques de l impact du jet : pression, température, vitesse, composition du jet, sont très différentes. L interaction jet / matière fait appel à une multitude de -1-

2 paramètres : paramètres intrinsèques liés à la nature du jet (morphologie, composition, température), paramètres de formation du jet (fonctionnement de la machine) (débit, pression, géométrie de la buse) et paramètres de la cible (état de surface, propriétés thermomécaniques, ). Ces différents éléments se composent pour produire une grande variété de mécanismes d endommagement et d enlèvement de matière. Dans les sections suivantes, nous présentons les résultats de la mesure de paramètres thermo-mécaniques à l impact du jet et de l observation des mécanismes de dégradation de matériaux métalliques. 1. Paramètres thermomécaniques du jet à l impact 1.1 Mesures de température Les premières mesures effectuées concernent la température du jet à l impact. Elles ont été réalisées à l aide d une plaque métallique (200x100mm²) en acier moulé Tréhard. La plaque est munie de thermocouples (type K) disposés à différentes profondeurs (0.5, 3 et 4 mm), et à différentes distances du point d impact du jet. L ensemble des valeurs relevées est compatible avec la distribution obtenue par diffusion d un flux de chaleur ponctuel constant : un exemple des relevés de température est fourni sur la Fig. 1 Température en C Température en fonction de la pression (dtir= 0,5mm) 896 bar 1586 bar 2070 bar 2830 bar Temps en s FIG.1 - Courbes température ( C) / temps (s) à 0.5mm sous la surface d impact de la plaque On note que l équilibre thermique est rapidement obtenu et que la température d équilibre varie à l inverse de la pression de consigne. La température minimale obtenue est de l ordre de -90 C ; elle est très supérieure à la température à la sortie de l échangeur : C. Cet écart peut s expliquer, entre autre, par le fait que l outil employé, un porte-buse conçu pour les techniques de jet fluide (eau), est mal adapté à cette nouvelle technique. La température mesurée au thermocouple est représentative de la température du jet car la capacité thermique de la plaque au voisinage du thermocouple est faible. 1.2 Mesure de l effort à l impact Deux campagnes d essais ont été consacrées à la mesure de l effort subi par la cible sous l impact du jet. La mesure utilise un dynamomètre protégé des effets d endommagement du jet par une plaque d acier à haute résistance et une couche d isolant thermique. Le maximum enregistré pour l effort à l impact est de l ordre de 2 dan, pour une pression de consigne de 3000 bars. La figure 2 montre un exemple de l évolution de l effort induit par le jet à l impact, pour une pression de consigne de 3000 bars. On note que l effort est indépendant de la distance de tir, ce qui indique que l ensemble du débit massique participe à l impact. Les oscillations de l effort observées pourraient être dues aux irrégularités de fonctionnement au niveau du débit du jet ou de la pression d injection. Une nouvelle série d essais sera menée avec un capteur de force (peu sensible à la température) afin d identifier et d examiner la nature de ces oscillations. La présence d oscillations contrôlées ferait du jet d azote HP un jet modulé [1] dont le mode d action sur les matériaux est distinct de celui des jets continus. -2-

3 2200 Evolution de l'effort à l'impact en fonction de la distance de tir et pour une pression de consigne constante (3000 bars) Effort en gramme dtir=0,5 dtir=5 dtir=10 dtir=15 dtir= Temps en s FIG.2 - Effort à l impact du jet pour différentes distances de tir (en mm), et pour une pression de consigne de 3000 bars 2. Mécanismes d endommagement des matériaux métalliques Cette section est dédiée à l étude de l effet de la dureté sur les mécanismes d endommagement des matériaux métalliques. 2.1 Acier doux E24 Les essais ont été réalisés avec des éprouvettes (35x22x10 mm) polies miroir en acier bas carbone dont les caractéristiques chimiques et mécaniques sont données par les tableaux ci-dessous : C Si Mn P S Ni Cr Mo V Nb Ta Ti Co 0,06 0,22 1,49 0,015 0,002 0,24 0,03 0,01 0,003 0,053 0,005 0,016 0,004 Tab. 1 - Composition de l acier bas carbone E24 en % massique Rp 0.2 N/mm² Rm N/mm² Cp J/kg.C ρ Kg.m -3 α m²/s 10-6 λ w/m.k ,33 21,4 Tab. 2 - Propriétés mécaniques et physiques de l acier bas carbone E24 à l ambiante 25 C Les paramètres de l ensemble des essais sont répertoriés dans le tableau 3. diamètre de la buse pression consigne distance de tir (mm) vitesse d avance du jet 0,2 mm 3000 bars de 20 à 100 (par pas de 10 mm) 20mm/min Tab. 3 - Paramètres des essais cinématiques En l absence d information sur le mode d action d un jet d azote Haute Pression (HP) sur ce type de matériau, nous avons choisi une vitesse de passage faible, pour procurer un temps d interaction jet/matière assez important. L observation au microscope électronique à balayage des différentes éprouvettes a permis de constituer un panorama de l évolution de l enlèvement de matière pour les différentes distances de tir employées (voir figures 3, 4 et 5). Pour une distance de tir de 20mm (dtir = 20mm), on observe une absence d endommagement au passage du jet, sauf aux deux bords de l échantillon, où l on identifie un enlèvement de matière assez conséquent. Aux distances de tir de 30 et 40mm, l endommagement est discontinu et irrégulier le long du parcours du jet, avec un enlèvement de matière plus important aux deux bords. A partir d une distance de tir de 50mm, le jet d azote HP présente un potentiel de décapage (enlèvement surfacique et continu de matière) d efficacité croissante jusqu à des distances de tir de l ordre de 90 et 100mm. L analyse -3-

4 des parties soumises au jet pour des distances de tir de 50 à 100 mm (Fig. 5) révèle la présence de deux zones principales d endommagement : - une zone centrale avec un endommagement conséquent. L examen de cette partie centrale révèle un faciès de rupture fragile du matériau par clivage (voir la Fig. 5 N 1), probablement associée à l impact de gouttelettes d azote liquide. Passage du jet Passage du jet FIG. 3 - Endommagement observé au bord de l éprouvette pour dtir=20mm dtir=30mm dtir=40mm FIG. 4 - Trace d endommagement discontinu pour des distances de tir de 30 et 40mm N 2 N 1 N 4 N 3 FIG. 5 - Endommagement typique observé pour des distances de tir de 50, 60, 70, 80, 90 et 100 mm -4-

5 - une zone latérale avec des impacts moins profonds et isolés les uns des autres. L examen de cette partie montre diverses formes d endommagement. Outre l écaillage et les micro fissures (Fig. 5, N 3), on note la présence d un faïençage par un réseau de fissurations interconnectées (Fig. 5, N 4), dont la nucléation pourrait être due à un fort gradient de contraction thermique entre la surface et le cœur du matériau, à la suite du refroidissement brutal de la surface. 2.2 Matériaux doux (alliage d aluminium et cuivre) Des éprouvettes (35x35x35 mm) en alliage d aluminium 1050A et en cuivre Cula (Cu 99,9%), polies initialement à la pâte diamantée, ont été testées. Les caractéristiques physico-chimiques de ces matériaux sont mentionnées dans les tableaux 4 et 5. Si Fe Cu Mn Zn Ti 0,25 0,40 0,05 0,05 0,07 0,05 Tab.4 - Composition chimique de l alliage d aluminium 1050 A en % massique Rp 0,2% Mpa Rm Mpa dureté Hv E en Mpa densité g/cm 3 Al 1050A ,7 Cuivre ,9 Tab.5 - Caractéristiques mécaniques de l AL 1050A et du cuivre Les paramètres des essais (essais statiques) sont donnés dans le tableau 6. diamètre de la buse pression consigne distances de tir temps d exposition 0,2mm 3000 bars 40 et 60mm 1, 4, 8, 16, 32 et 60s Tab. 6 - Paramètres d essais statiques dtir=60mm et texp=1s dtir=60mm et texp=60s c a b Fig. 6 - Endommagement de l alliage d aluminium 1050 A induit par l impact du jet d azote HP. (a): clivage et rupture fragile ; (b): bourrelets et lignes de glissement de matière repoussée par l effet de souffle ; (c): micro-cavités Les observations effectuées (figures 6 et 7) après impact montrent un effet important du jet : la dégradation de l alliage d aluminium et du cuivre est quasi immédiate. Dans le cas de l aluminium, l impact présente un cratère (fig. 6) d une largeur de l ordre de 1mm après une seconde de tir. Quant au cuivre, après une seconde -5-

6 de tir, on assiste plutôt à une phase d amorçage où on identifie une cratérisation limitée en surface. L examen des zones altérées, (clichés a, b, c et d), suggère deux mécanismes principaux d endommagement (cliché e) dtir=60mm et texp=1s dtir=60mm et texp=60s d e Fig. 7 - Endommagement du cuivre soumis à un jet d azote HP. (d): altération surfacique ; (e): clivage combiné à la formation de microcavités combinés et superposés : un mécanisme d endommagement par clivage (clichés a et e) dû à la composante déviatorique du tenseur des contraintes appliquées au matériau, et un second mécanisme où l on assiste à la formation et la croissance de microcavités (clichées c et e). La formation de ces microcavités est pilotée par la composante hydrostatique de la contrainte due à l augmentation brutale du volume massique de l azote au contact de la cible. Un autre type d endommagement, relatif à l effet de souffle, est le repoussement de la matière par déformation plastique aux bords du cratère d impact. On observe en effet l existence de bourrelets latéraux et de plans de glissement associés (cliché b). Conclusion Ce travail lève le voile sur une mosaïque de phénomènes complexes liés à l endommagement induit par l impact d un jet d azote HP basse température. Cet impact induit sur la cible un choc thermomécanique assisté d un effet de souffle susceptible d activer des modes d endommagement extrêmement variés dépendant du type du matériau à traiter et des paramètres de tir. On peut penser que les modes d utilisation industrielle du jet d azote pourraient aller du décapage léger de couches d oxydes (décalaminage) ou de peinture, à l attaque en profondeur du matériau, en passant par les traitements de surface (durcissement par transformation martensitique induite par la baisse de température). La description de ce domaine potentiel et l optimisation des performances du procédé feront l objet d études détaillées. Remerciements: Ce travail est soutenu par l ANR-ADEME (ANR-06-ECOT-Oox). Les auteurs remercient le CRITT M2T pour la fourniture des éprouvettes et sa collaboration dans la mesure des températures. Références bibliographiques: [1] J. Foldyna, L. Sitek, B. Svehla, S. Svehla, Utilisation of ultrasound to enhance high-speed water jet effects, Ultrasonics Sonochemistry 11 (2004)