FR2959313A1 - Dispositif d'evaluation de fatigue thermomecanique d'un materiau - Google Patents

Abstract

Système permettant de refroidir et maintenir efficacement une éprouvette lorsqu'elle est soumise localement à un flux thermique important. L'éprouvette (21) comporte une face intérieure (31) prolongée par des lames parallèles (29) ménageant des canaux pour le passage d'un fluide de refroidissement, des ailettes parallèles d'une pièce intercalaire (23) s'insèrent entre lesdites lames (29).

Description

L'invention se rapporte à un dispositif d'évaluation de fatigue thermomécanique d'un matériau soumis à un flux thermique élevé ; elle concerne plus particulièrement un ensemble fonctionnel permettant de soumettre un échantillon d'un matériau donné à un tel flux thermique, par exemple pour apprécier la fiabilité de la prédiction de la durée de vie d'une chambre de combustion d'un moteur fusée cryotechnique réalisé au moins en partie à partir du matériau (alliage) considéré. Depuis quelques années a été développé un modèle de durée de vie de type élasto-visco-plastique (EVP) adapté à la prévision des durées de vie des structures portées à haute température comme par exemple les circuits régénératifs (CR) d'une chambre de combustion de moteur fusée cryotechnique. On cherche donc à valider ce modèle de durée de vie EVP en sollicitant le matériau d'une éprouvette spécifique selon un cas de charge aussi représentatif que possible du cas de charge réel, au moins pour ce qui concerne le flux thermique imposé. La gamme de flux recherchée doit être représentative de celle rencontrée dans un circuit régénératif de moteur fusée c'est à dire atteindre voire dépasser 100 MW/m2 sur une zone circulaire de diamètre d'au moins 5 mm.

Les solutions actuellement connues permettent d'atteindre des niveaux de flux thermiques inférieurs, de l'ordre d'une dizaine de MW/m2. Certaines d'entre-elles peuvent mettre en oeuvre des systèmes de refroidissement complexes faisant par exemple appel à des fluides cryogéniques, nécessitant une installation complexe et coûteuse, tant à la conception qu'à l'exploitation. L'invention permet de surmonter ces inconvénients. L'objectif de l'invention est donc de "mettre en situation" les modèles, en contexte industriel réaliste. La validation repose sur l'aptitude de l'éprouvette technologique développée à pouvoir être soumise localement à un flux thermique important de manière à y faire apparaître les mêmes phénomènes physiques de dégradation que ceux qui sont constatés, par exemple, sur les canaux d'un véritable circuit régénératif de moteur fusée cryotechnique, à savoir : - les déformations saillantes de la paroi chaude des canaux, - le perçage des canaux au bout d'un certain nombre de cycles de fonctionnement (inférieur à la centaine). En effet, seuls des niveaux de flux thermiques importants permettent d'obtenir dans l'épaisseur de la paroi chaude des températures élevées ainsi que des gradients de températures suffisamment élevés pour que la viscosité du matériau puisse s'exprimer. Un autre objectif est de pouvoir imposer un tel niveau de flux thermique élevé avec des moyens de chauffage relativement simples tout en ayant recours à un système de refroidissement "industriel" c'est-à-dire utilisant un fluide de refroidissement non cryogénique, ceci pour garantir des coûts d'essais relativement faibles. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif d'évaluation de fatigue thermomécanique d'un matériau soumis à un flux thermique, caractérisé en ce qu'il comporte : - une éprouvette réalisée dans ledit matériau et comportant une paroi dite paroi chaude dont une face extérieure est destinée à être soumise audit flux thermique et dont une face intérieure est prolongée par des lames parallèles rattachées à ladite face intérieure et ménageant entre elles des canaux parallèles, - une pièce intercalaire comportant des ailettes parallèles conformées et dimensionnées pour s'insérer dans lesdits canaux entre lesdites lames pour définir au voisinage de ladite face intérieure de la paroi chaude un passage de circulation de fluide de refroidissement composé de plusieurs tronçons parallèles séparés par lesdites lames, la section dudit passage étant définie par l'engagement desdites ailettes dans lesdits canaux parallèles, - un support sur lequel sont installées ladite éprouvette et ladite pièce intercalaire et comportant des éléments de conduit reliés aux extrémités dudit passage de circulation de fluide de refroidissement, - un circuit de circulation de fluide de refroidissement connecté auxdits éléments de conduit, et - des moyens de chauffage de ladite paroi chaude. Il est à noter que le support et ladite pièce intercalaire pourraient être combinés en une seule pièce.

Avantageusement, les moyens de chauffage comportent une torche à plasma dirigée vers ladite face externe de ladite paroi chaude ; on utilise de préférence une torche à plasma d'arc soufflé basse pression. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite éprouvette est réalisée dans un bloc dudit matériau, dans lequel sont pratiqués lesdits canaux parallèles. Ceux-ci sont par exemple obtenus par fraisage en sorte que la paroi chaude est essentiellement constituée par l'épaisseur du matériau laissé entre le fond des canaux et la face externe du bloc. Si nécessaire, ladite éprouvette comporte au moins un capteur de température logé dans un trou borgne pratiqué dans une lame précitée, jusqu'à une distance prédéterminée de ladite face extérieure de ladite paroi chaude. Un tel capteur peut être constitué par un thermocouple. Selon un agencement préféré, les canaux parallèles de ladite éprouvette sont plus longs que lesdites ailettes de la pièce intercalaire et s'étendent au-delà des extrémités de ces ailettes. De ce fait, les éléments de conduit dudit support débouchent de part et d'autre de ladite pièce intercalaire, respectivement, en regard desdits canaux de l'éprouvette, entre les extrémités de ces canaux et les extrémités desdites ailettes.

De préférence, les extrémités des ailettes sont arrondies selon une courbure correspondant à la forme des extrémités des canaux de ladite éprouvette (les extrémités arrondies des canaux résultant de leur obtention par fraisage) pour définir, en regard de chaque orifice d'un élément de conduit dudit support, une chambre de tranquillisation et de guidage dudit fluide de refroidissement. Ainsi, le fluide de refroidissement circule dans le passage de circulation de fluide de refroidissement précité de façon régulière, sans turbulence. La pièce intercalaire est par exemple intercalée entre le support et l'éprouvette. Pour ce faire, ledit support comporte, sur une face, un lamage d'insertion de ladite pièce intercalaire. Plus précisément, un socle de celle-ci, portant lesdites ailettes, vient s'encastrer dans ce lamage et l'éprouvette est fixée au support en enserrant entre eux ladite pièce intercalaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemples et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique générale en perspective éclatée d'une partie du dispositif. - la figure 2 représente la même partie, en perspective, vue de dessous ; - la figure 3 est une vue de dessous en plan, de la même partie ; - la figure 4 est une coupe IV-IV de la figure 5 ; - la figure 5 est une coupe V-V de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue à plus grande échelle de l'encadré VI de la figure 5 ; et - la figure 7 est une vue schématique de l'ensemble du dispositif représenté en fonctionnement.

Comme représenté, le dispositif conforme à l'invention comporte une enceinte 11 dans laquelle on peut faire le vide et qui contient une torche à plasma 13 portée par un bras de robot 15, commandé et, en regard de celle-ci un sous-ensemble de test 20 constitué par l'assemblage d'une éprouvette 21, d'un support 22 et d'une pièce intercalaire 23, à profil en forme de peigne, qui sera décrite plus loin. Ce sous-ensemble est installé à l'extrémité d'un mât 25 de façon qu'une face extérieure d'une paroi, dite paroi chaude 27 de l'éprouvette 21 soit exposée au flux thermique délivré par la torche à plasma 13. La fixation de la pièce support 22 sur le mât 25 se fait avantageusement par l'utilisation dans ce but des deux vis 37 situées sur un bord entre les deux orifices d'alimentation en fluide de refroidissement 35. Ainsi ces deux vis servent non seulement au maintien de l'éprouvette 21 sur le support 22 mais également à la fixation du support 22 sur le mât 25 sans qu'il soit nécessaire de prévoir d'autre interface sur la pièce 22. La position de l'éprouvette 21 sur le support 22 est rendue unique par l'utilisation d'un pion de centrage (non représenté) entre ces deux éléments. Ceci est intéressant du point de vue expérimental. Le robot est programmé pour que ladite torche puisse se déplacer en regard de ladite paroi chaude, perpendiculairement à celle-ci. Plusieurs régions de la paroi chaude, rectangulaire, de l'éprouvette peuvent ainsi être soumises à l'action de la torche à plasma.

L'éprouvette 21 est réalisée dans le matériau à tester. La paroi chaude 27 est relativement mince et sa face intérieure 31 est prolongée par des lames 29 parallèles. Celles-ci sont rattachées à ladite face intérieure et ménagent entre elles des canaux parallèles 33. En fait, comme représenté, selon l'exemple, l'éprouvette est réalisée dans un bloc dudit matériau en forme de parallélépipède rectangle (par exemple dans un alliage à base cuivre) dans lequel sont pratiqués les canaux parallèles 33, avantageusement par fraisage. De ce fait, des extrémités des canaux parallèles sont arrondies, comme représenté.

Le support 22 qui reçoit ladite éprouvette 21 se présente sous la forme d'un bloc usiné en forme de parallélépipède rectangle et il comporte à ses extrémités des éléments de conduit 35 qui débouchent sur la face 36 sur laquelle l'éprouvette 21 est fixée, par un ensemble de vis 37. Ces éléments de conduits 35, filetés intérieurement, permettent le montage de raccords 40 faisant saillie de la face du support opposée à la face de montage de l'éprouvette. Comme le montre la figure 6, ces deux raccords sont connectés à des tuyaux 41 traversant avec étanchéité la paroi de l'enceinte 11 dans laquelle on fait le vide. Les conduits sont raccordés à une unité extérieure 43 comprenant un réservoir de fluide de refroidissement et un groupe surpresseur constitué par exemple d'au moins une pompe. Avantageusement, le circuit de refroidissement peut être un circuit fermé pouvant également comporter un système de réfrigération du fluide visant à maintenir la température dudit fluide à l'entrée 35 de l'éprouvette, régulée dans une plage de température déterminée. Selon ce principe, le fluide de refroidissement peut par exemple être de l'eau distillée réfrigérée et mise en circulation sous une pression de service de plusieurs dizaines de bar. La pièce intercalaire 23, à profil en forme de peigne, (selon une section transversale droite perpendiculaire à sa direction longitudinale, voir figure 6) comporte des ailettes 45 parallèles conformées et dimensionnées pour s'insérer dans lesdits canaux 33 entre les lames 29. L'épaisseur des ailettes correspond sensiblement à la largeur des canaux de l'éprouvette 21. La hauteur des ailettes est déterminée pour définir, au voisinage de ladite face intérieure 31 de la paroi chaude, un passage de circulation de fluide de refroidissement 47 de section prédéterminée, qui est donc composé de plusieurs tronçons parallèles séparés par lesdites lames 29. La section d'écoulement dudit passage tout au long de ladite paroi chaude est définie par l'engagement desdites ailettes 45 dans lesdits canaux 33 parallèles, étant entendu que les ailettes ont une hauteur d'engagement inférieure à la profondeur des canaux. Selon l'exemple, les ailettes de la pièce intercalaire sont usinées en fonction de la section désirée du passage de circulation de fluide de refroidissement de façon que les lames de l'éprouvette viennent au plus près en vis-à-vis des fonds de gorge de ladite pièce intercalaire ménagée entre lesdites ailettes et ce, avec un jeu faible mais non nul. Il résulte de la description qui précède, que la largeur de ladite paroi chaude est limitée, dans la masse de l'éprouvette, par les canaux parallèles 33 qui y sont fraisés. La profondeur de fraisage des canaux détermine l'épaisseur de la paroi chaude entre les fonds des canaux parallèles et la face extérieure 28 de l'éprouvette. Pour des raisons de tenue mécanique sous la sollicitation de la pression et de la charge thermique, les bords de la paroi chaude, longitudinalement, sont plus épais ; la surépaisseur est d'environ 50 %. Ceci est obtenu par le fait que les deux canaux parallèles 33 latéraux de l'éprouvette sont moins profonds que des canaux médians, ici au nombre de cinq, ce qui permet d'augmenter effectivement l'épaisseur de la paroi chaude 27 le long des bords longitudinaux de celle-ci comme visible sur la figure 6. En effet, la déformation naturelle globale de la paroi chaude lors des tests, consiste globalement en un bombement sous l'effet conjoint de la dilatation thermique différentielle entre la surface extérieure chauffée et la surface intérieure refroidie. Ce bombement est en outre favorisé par l'effet de la pression interne du fluide de refroidissement. La surépaisseur de la paroi chaude 27 le long de ses bords longitudinaux permet d'éviter une rupture. Dans un mode d'utilisation de l'invention, les lames de l'éprouvette peuvent avantageusement être collées avec de la résine époxy avec les fonds des gorges de la pièce intercalaire. Ce collage permet de limiter voire supprimer le phénomène de bombement de la paroi chauffée 27 décrit précédemment. Par ailleurs ce montage collé ne remet pas en cause la démontabilité du concept, l'élimination de la colle pouvant être obtenue par étuvage à température adaptée." Par ailleurs, les canaux parallèles 33 de l'éprouvette sont plus longs que les ailettes 45 de la pièce intercalaire 23 et s'étendent au-delà des extrémités desdites ailettes. Par conséquent, les éléments de conduit 35 du support débouchent de part et d'autre de ladite pièce intercalaire 23, respectivement, en regard des canaux 33 de l'éprouvette. Chaque élément de conduit 35 débouche entre les extrémités desdits canaux 33 et les extrémités desdites ailettes 45. De plus, comme représenté, les extrémités des ailettes sont arrondies de façon correspondant à la forme des extrémités des canaux de l'éprouvette (ces extrémités arrondies résultant du fraisage desdits canaux). Ainsi se trouve définie, en regard de chaque orifice d'un élément de conduit 35 dudit support 22, une chambre de tranquillisation et de guidage 50 du fluide de refroidissement qui permet un écoulement non turbulent dudit fluide, au travers du passage de circulation de fluide de refroidissement 47 précité, défini au voisinage de la face intérieure 31 de la paroi chaude. La pièce intercalaire 23 est enserrée entre le support 22 et l'éprouvette 21 lorsque cette dernière est fixée par les vis 37 audit support. Plus particulièrement, ce dernier comporte, sur une face de montage de l'éprouvette, un lamage d'insertion 53 de ladite pièce intercalaire 23. Un socle 55 de cette pièce intercalaire, qui porte les ailettes 45, vient s'encastrer dans ce lamage. Ladite pièce intercalaire est donc immobilisée entre le fond dudit lamage et les champs desdites lames 29 de l'éprouvette. Comme indiqué ci-dessus le montage peut être amélioré en déposant une résine époxy 57 sur les champs des lames, au moment de l'assemblage de manière à limiter l'apparition du bombement de la paroi chauffée 27. En outre, le support 22 et l'éprouvette 21 sont fixés l'un à l'autre avec interposition d'un joint d'étanchéité 60 entourant à la fois les orifices desdits éléments de conduit 35 et ledit lamage 53 recevant le socle 55 de la pièce intercalaire. Ce joint est logé dans une gorge à contour fermé 61 creusée sur la face du support qui reçoit l'éprouvette. Il peut être avantageux de connaître la température de la paroi chaude 27 pendant les opérations. A cet effet, ladite éprouvette comporte au moins un capteur de température 63, par exemple du type thermocouple.

Dans l'exemple, on a prévu quatre paires de capteurs de température 63 espacés longitudinalement. Chaque paire de capteurs de température permet de définir sur une même éprouvette une zone d'essai pour laquelle on est en mesure de connaître l'évolution de la température pendant le test. On dispose ainsi de quatre zones d'essai espacées longitudinalement et ces zones offrent, chacune, les mêmes conditions de refroidissement et donc les mêmes capacités de sollicitation. Chaque zone est donc équipée de deux thermocouples 63 pour des raisons de redondance de mesure. Plus particulièrement, comme représenté, un tel capteur (thermocouple) est logé dans un trou borgne 65 pratiqué dans une lame 29 de l'éprouvette jusqu'à une distance prédéterminée de ladite face extérieure 28 de la paroi chaude. Des trous traversants pratiqués dans la pièce intercalaire 23 et dans le support 22 permettent le passage de fils électriques reliés au capteur. Plus précisément, la pièce intercalaire 23 comporte, pour chaque capteur, un trou traversant 66 pratiqué au travers du socle 55 et débouchant entre deux ailettes 45 de celle-ci, en regard d'un trou borgne 65 correspondant. Le support comporte quant à lui, pour chaque paire de capteurs, un trou traversant 67 d'un diamètre plus important, permettant la communication avec les deux trous voisins 66 de la pièce intercalaire. A l'arrière du support, des bouchons filetés 69 sont engagés dans des taraudages de ces trous. Ils comportent des perçages permettant le passage des fils électriques 70. De préférence, la position des capteurs est figée en injectant de la résine époxy dans les trous qui les abritent.

Les fils électriques sont reliés à une unité de mesure 71. Il peut être avantageux, pour les différentes zones définies dans la paroi chaude 27 autour des emplacements des paires de capteurs, de placer ces derniers à des profondeurs différentes sous la face extérieure de la paroi chaude, par exemple à 0,5, 1, 2 et 3 mm sous cette face extérieure 28 de la paroi chaude 27, pour être en mesure de connaître la température à différentes profondeurs de la paroi chaude. Il suffit pour cela de régler en conséquence la profondeur des trous borgnes 65 d'une même paire de capteurs. Le doublement des voies de mesure permet avantageusement de fiabiliser la mesure de température.

La mise en oeuvre d'un test résulte avec évidence de la description qui précède. On installe un sous-ensemble 20 tel que défini ci- dessus à l'extrémité du mât 25 situé dans l'enceinte 11. On raccorde le circuit de circulation du fluide de refroidissement et on fait le vide dans l'enceinte avant de mettre en service la torche à plasma 13. Celle-ci est dirigée perpendiculairement à la surface de la paroi chaude. On fait circuler l'eau distillée dans le circuit qui refroidit donc en permanence la face intérieure de la paroi chaude pendant que la face extérieure est soumise au flux thermique généré par la torche à plasma. Celle-ci est déplacée en regard de la paroi chaude par les mouvements imposés aux bras de robot 15. La vitesse d'approche de la torche, la distance minimale à la paroi chaude, le temps d'exposition au flux thermique constituent les paramètres de réglage de l'essai permettant de mettre en oeuvre de multiples formes de sollicitations thermiques représentatives des différents aspects du fonctionnement d'un moteur de fusée (transitoires thermiques rapides, lents, stabilisés, changement de niveau de flux thermique, etc...).

En raison de sa forme en profil en peigne, la pièce intercalaire 23 permet de maintenir les lames parallèles de l'éprouvette en empêchant ces dernières de se tordre et de pivoter lorsque la paroi chaude se déforme. Ainsi, l'écartement des lames 29 est garanti, ce qui évite un effet de fermeture ou de variation de section dudit passage de circulation de fluide de refroidissement défini entre les lames 23 et les ailettes de la pièce intercalaire. Bien entendu, d'autres variantes sont possibles tant en ce qui concerne les moyens de chauffage que les moyens de refroidissement. On notera le faible coût du dispositif décrit ci-dessus et de son exploitation pendant une série de tests. Seule l'éprouvette est à changer d'un essai sur l'autre et chaque éprouvette permet plusieurs tests différents.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'évaluation de fatigue thermomécanique d'un matériau soumis à un flux thermique, caractérisé en ce qu'il comporte : - une éprouvette (21) réalisée dans ledit matériau et comportant une paroi dite paroi chaude (27) dont une face extérieure (28) est destinée à être soumise audit flux thermique et dont une face intérieure (31) est prolongée par des lames parallèles (29) rattachées à ladite face intérieure et ménageant entre elles des canaux parallèles (33), - une pièce intercalaire (23) comportant des ailettes parallèles (45) conformées et dimensionnées pour s'insérer dans lesdits canaux entre lesdites lames pour définir au voisinage de ladite face intérieure de la paroi chaude un passage de circulation de fluide de refroidissement composé de plusieurs tronçons parallèles séparés par lesdites lames, la section dudit passage étant définie par l'engagement desdites ailettes dans lesdits canaux parallèles, - un support (22) sur lequel sont installées ladite éprouvette (21) et ladite pièce intercalaire (23) et comportant des éléments de conduit (35) reliés aux extrémités dudit passage de circulation de fluide de refroidissement, - un circuit de circulation de fluide de refroidissement (41, 43) connecté auxdits éléments de conduit, et - des moyens de chauffage (13) de ladite paroi chaude.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage comportent une torche à plasma (13) dirigée vers ladite face extérieure (28) de ladite paroi chaude.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite éprouvette (21) est réalisée dans un bloc dudit matériau dans lequel sont pratiqués lesdits canaux parallèles.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que ladite éprouvette comporte au moins un capteur de température (63).
5. 5. Dispositif selon l'ensemble des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'un tel capteur est logé dans un trou borgne (65) pratiqué dans une lame (29) jusqu'à une distance prédéterminée de ladite 35 face extérieure de ladite paroi chaude et, des trous traversants (66, 67)pratiqués dans ladite pièce intercalaire et dans ledit support permettant le passage de fils électriques (70) reliés audit capteur.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des canaux parallèles (33) latéraux de ladite éprouvette sont moins profonds que des canaux médians, en sorte d'augmenter l'épaisseur de ladite paroi chaude le long des bords longitudinaux de celle-ci.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits canaux parallèles (33) de ladite éprouvette sont plus longs que lesdites ailettes (45) de la pièce intercalaire et s'étendent au-delà des extrémités de ces ailettes, les éléments de conduit (35) dudit support débouchant respectivement de part et d'autre de ladite pièce intercalaire (23) en regard desdits canaux de l'éprouvette, entre les extrémités desdits canaux et les extrémités desdites ailettes.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les extrémités desdites ailettes (45) sont arrondies de façon correspondant à la forme des extrémités desdits canaux (33) de ladite éprouvette, résultant du fraisage de ceux-ci, pour définir, en regard de chaque orifice d'un élément de conduit dudit support, une chambre de tranquillisation et de guidage (50) dudit fluide de refroidissement.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit support (22) comporte, sur une face, un lamage (53) d'insertion de ladite pièce intercalaire dans lequel un socle (55) de celle-ci, portant lesdites ailettes, vient s'encastrer, en ce que ladite éprouvette est fixée audit support en venant enserrer entre eux ladite pièce intercalaire (23) et en ce que ledit support et ladite éprouvette sont fixés l'un à l'autre avec interposition d'un joint d'étanchéité (60) entourant les orifices desdits éléments de conduit (35) et ledit lamage (53) recevant ledit socle.
10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ladite torche à plasma (13) et le sous-ensemble (20) constitué par l'assemblage de ladite éprouvette, de ladite pièce intercalaire et dudit support, sont installés dans une enceinte sous vide (11) et en ce que ladite torche à plasma est portée par un bras de robot (15) commandé pour le réglage de la position et du déplacement de la torche à plasma par rapport à ladite paroi chaude.