Caractérisation des Métaux Liquides par Lévitation à haute pression et haute température – CaraMeLL

Pour atteindre ses objectifs, le projet s’appuie sur deux grands axes complémentaires : la modélisation numérique et l’expérimentation.

D’un côté, comme un appui, des modèles informatiques très avancés sont développés pour reproduire le comportement des métaux liquides dans ce dispositif de lévitation. Ces modèles permettent de simuler la chaleur, les mouvements du métal liquide, la diffusion d’éléments chimiques et même l’évaporation, afin de prédire ce qui se passe à l’intérieur des expériences. Cela aide à concevoir des expériences plus efficaces et à comprendre les phénomènes physiques sans se limiter à ce que l’on peut voir avec les caméras ou les instruments.

En parallèle, élément principal de ce projet, un nouveau dispositif expérimental unique a été conçu. Il permet de faire léviter une petite goutte de métal liquide, sans qu’elle touche aucun support, tout en augmentant la pression autour d’elle jusqu'à 100 bars. Ce procédé a deux avantages :

- il évite que le métal ne soit contaminé par un récipient grâce à la lévitation,

- il empêche le métal de s’évaporer trop vite, ce qui limite habituellement les températures atteignables au sein des autres laboratoires.

Grâce à cette approche, il sera possible de mesurer des propriétés essentielles des métaux liquides, comme leur masse volumique, leur tension superficielle ou encore leur capacité thermique, à des températures jamais atteintes auparavant.

Les résultats en cours d'acquisition sont:

Une plateforme expérimentale complète capable de caractériser les propriétés thermophysiques des métaux liquides jusqu’à 4 000 °C, sous pressions élevées, avec contrôle fin de la stabilité et des paramètres environnementaux. [Avancée: 4/5]

Des données inédites sur la masse volumique, la capacité thermique et la tension superficielle pour des métaux et alliages stratégiques (fer, nickel, titane, zirconium, aciers inoxydables, superalliages) à l'état liquide. [Avancée: 2/5]

Une compréhension approfondie des phénomènes d’évaporation et de l’effet de la pression, grâce à l’intégration de la modélisation numérique et des mesures expérimentales. [Avancée: 3/5]

Une communication open source des propriétés thermophysiques pour la communauté scientifique et industrielle, avec possibilité d’extension à d’autres matériaux. [Avancée: 0/5]

Des avancées méthodologiques sur la mesure haute température et haute pression, exportables à d’autres laboratoires et industries. [Avancée: 2/5]

Un impact direct pour l’industrie sur la prédiction des défauts de soudage, la conception de nouveaux alliages et l’optimisation des procédés de fabrication additive et de fusion.

Si le cœur du projet repose sur la création d'un nouveau dispositif unique en son genre, les principales perspectives sont d'étendre les mesures faites à d'autres matériaux complexes: acier inoxydables, verres métalliques, super alliages. Partout ou l'évaporation de un ou plusieurs éléments d'alliage est un problème, la poursuite du projet pourra être bénéfique.

Ainsi, on peut envisager dans le futur, caractériser différents types d'alliages complexes à l état liquide particulièrement sensibles à l'évaporation. Le dispositif permettra de déterminer masse volumique, capacité thermique ou tensions de surface (et Marangoni) sur une plage de température allant de 1000 °C à 4000 °C.

Toutes les études des propriétés de la matière dans ce gamme sont envisageables.

La mauvaise connaissance des propriétés physiques des métaux à l’état liquide est aujourd’hui un manque important pour une compréhension parfaite des phénomènes physiques et un verrou pour le développement des modèles multiphysiques. Cette information, très difficile d’accès, est requise dans de nombreux secteurs : automobile, aérospatial, naval, énergie, partout où les alliages métalliques sont fortement utilisés. Malheureusement, la littérature actuelle est lacunaire ou limitée en température.
A titre d’exemple, la fabrication additive métallique permet de créer des pièces par le dépôt de métal exclusivement fondu. Le développement et l’optimisation de ce procédé s’appuient conjointement sur la modélisation thermo-hydrodynamique et sur la recherche expérimentale ; tous deux nécessitant une connaissance poussée des propriétés thermophysiques du métal fondu afin de comprendre l’apparition des défauts et d’analyser les phénomènes physiques observés (exemple : Marangoni).
Le projet CarameLL vise à établir une rupture dans la mesure des propriétés thermophysiques des métaux fondus en employant un dispositif de lévitation aérodynamique permettant la mesure sans contact et à haute température de la tension superficielle, de la viscosité ou de la chaleur massique des métaux fondus. Cette méthode plutôt bien connue et déjà maitrisée à l’IRDL sera couplée pour la première fois, dans le projet CarameLL, à une nouvelle approche consistant à faire la mesure sous très haute pression afin de réduire au maximum les phénomènes d’évaporation d’éléments d’alliage et de métal de base. Cette idée permettra d’atteindre des températures beaucoup plus élevées et de conserver intacte la composition chimique des alliages caractérisés. Elle permettra également d’étudier plus fondamentalement l’évaporation des éléments d’alliage. Autre originalité, le projet reposera sur la modélisation multiphysique permettant la levée des derniers verrous.