Compte-rendu de la journée thématique du GFC – GDR TAMARYS – SFT Durabilité des matériaux réfractaires sous haut flux radiatif

Compte-rendu de la journée thématique du GFC – GDR TAMARYS – SFT
Durabilité des matériaux réfractaires sous haut flux radiatif
Emmanuel de Bilbao (CEMHTI), Cédric Blanchard (CEMHTI), Sylvie Foucaud (IRCER), Jacques
Poirier (CEMHTI), Fabrice Rigollet (IUSTI), Benoit Rousseau (LTeN), Olivier Rozenbaum (CEMHTI)
Cette journée s’est tenue le jeudi 11 janvier 2024 à Orléans (salle Dupanloup). Elle a
rassemblé 46 inscrits, dont 11 intervenants et 12 industriels (Saint-Gobain, Ariane Group,
ONERA, CEA, ROCKWOOL, CNES, Total Energies).
Cette journée avait pour objectif de présenter un état de l’art, de lever des verrous
scientifiques et technologiques et de favoriser les échanges d’expériences entre industriels
et académiques autour des facteurs chimiques, mécaniques et thermiques jouant sur la
durabilité des céramiques soumises à de haut-flux radiatifs (0.5-10 MW/m2).
En effet, un matériau élaboré pour fonctionner à haute température ou bien par cyclage
thermique et en contact de fluide qui peut être corrosif, va subir de fortes contraintes,
qu’elles soient dues à des mécanismes thermiques, mécaniques et chimiques pouvant ainsi
engendrer son vieillissement prématuré. Afin d’augmenter la durée de vie des systèmes en
fonctionnement (durabilité), ces mécanismes mis en jeu doivent être connus pour mieux
appréhender le couplage de ces phénomènes et ainsi espérer les maîtriser en fonction de
l’application visée.
Pour répondre au mieux à cet objectif, les organisateurs ont identifié 3 thèmes et pour
chacun, 2 chercheurs académiques et 1 chercheur industriel sont intervenus.
Les 3 thèmes abordés sont :
Thème 1 : Transferts thermiques à haute température
Influence des transferts radiatifs sur le comportement thermique de systèmes énergétiques à
haute température, LTeN, Benoit ROUSSEAU.
Cette présentation a permis d’introduire la problématique des phénomènes physiques
rencontrés dans le développement des procédés et systèmes industriels, que l’on souhaite
durables et dans lesquels la chaleur est majoritairement transportée par rayonnement
thermique (IR, solaire). B. Rousseau a illustré son propos en prenant notamment comme
exemples, les flammes laminaires dans les brûleurs industriels, les suies dans une flamme
turbulente, les jets de particules produits lors de la propulsion solide des moteurs de fusée,
les matériaux poreux utilisés en rentrée atmosphérique hypersonique ou encore les
architectures 3D impliquées dans la production de gaz de synthèse dans une tour solaire.
Tous ces exemples, qualifiés de semi-transparents, requièrent de traiter la propagation
volumique du rayonnement au travers de l’équation du transfert radiatif qui est une
expression mathématique intégro-différentielle. Pour mieux appréhender les phénomènes
thermiques, la présentation a repris les fondamentaux à l’origine de cette équation jusqu’à
l’établissement de l’équation généralisée de la chaleur. Il a ainsi montré que les outils
numériques développées par la communauté française (Monte Carlo, Eléments Finis,Volumes Finis) étaient une aide précieuse pour modéliser les propriétés conducto-radiatives
d’un matériau selon son architecture à partir d’images en 3D. Cela se fait via des codes
développés en laboratoire systématiquement parallélisés. Pour finir, l’exercice de
comparaison « inter-équipe TAMARYS » de méthodes numériques calculant le
comportement conducto-radatiatif des matériaux poreux a été présenté avec à la clé un
recrutement postdoctoral (12 mois) sur 2024.
Caractérisation à haute température des propriétés thermiques et radiatives de matériaux
hétérogènes : développements expérimentaux et prédictions numériques, CEMHTI, Olivier
ROZENBAUM, et CEA Le Ripault, Denis ROCHAIS
Pour faire suite à la première présentation, O. Rozenbaum et D. Rochais nous ont montré
quels étaient les outils expérimentaux et numériques pour caractériser les propriétés
thermiques dans le cas de matériaux complexes, tels que des mousses, des revêtements
(barrières thermiques ou environnementales), ou encore des matériaux composites. Ces
propriétés sont les données d’entrée permettant de résoudre l’équation de la chaleur
généralisée, précédemment décrites, en tenant des conditions à la limite qui sont associées.
L’une des caractéristiques essentielles à déterminer est la diffusivité thermique des
matériaux soit par caractérisation macroscopique (Méthode Flash) soit par une approche
microscopique (microscopie photothermique). Cet exposé a également présenté les outils
de caractérisation optique et radiative : mesure de réflectance, transmittance, et émittance.
Et à partir de ces grandeurs mesurées, les indices optiques peuvent être extraits (cas des
milieux homogènes et récemment des milieux hétérogènes fibreux). Les données optiques
obtenues sont mises à profit pour alimenter des codes reproduisant le comportement
conducto-radiatif de matériaux architecturés. Une application au niveau de la conversion
solaire-chaleur à haute température a été présentée via l’exemple d’une structure de type
gyroïde.
Pyrométrie IR et matériaux haute température : problématiques et enjeux, Ariane Group, Dominique
JEHL et Grégory Pinaud
Après une présentation des matériaux thermostructuraux utilisés chez Ariane Group en
tant que lanceurs spatiaux et véhicules de rentrée atmosphérique, le cahier des charges a été
présenté et nécessite la caractérisation de ces matériaux qui sont soumis à des températures
supérieures à 2500°C et à des hauts flux thermiques (20-40 MW.m2) rencontrés en
aérospatial. Pour ce faire, Ariane Group met en œuvre des bancs de chauffage de type
convectif (torches plasma, 20 MW.m2) et radiatif (four infrarouge, 1.4 MW.m2) auxquels
sont adossés des moyens de mesure de la température de surface d’échantillons par
pyrométrie IR et par spectroradiométrie. L’objectif est de pouvoir estimer simultanément
l’émissivité et la température de la surface exposée au flux thermique. La problématique
rencontrée met en évidence la difficulté de caractériser la combinaison des flux convectif
et radiatif afin d’être représentatif du comportement de composite carbone-carbone
notamment pour le suivi de régime d’oxydation.
Thème 2 : Corrosion / réactivité à haute température
Durabilité des barrières thermiques et environnementales céramiques : approche physicochimique de la corrosion par les liquides silicatés de type CMAS, IJL, Pierre-Jean PANTEIXCet exposé a eu pour objectif de mettre en évidence l’impact des environnements agressifs
à haute température, auxquels sont confrontés les matériaux utilisés en tant que barrière
thermique et environnementale. Ces exemples reflètent le lien entre comportement
chimique et comportement thermique via une approche « réactivité chimique en
température » de liquides silicatés (CMAS : CaO-MgO-Al2O3-SiO2) qui corrodent les
matériaux de structure. Il est clair qu’en fonction de la composition chimique des barrières
et des liquides corrosifs, la stabilité de la couche de passivation qui protège le substrat va
évoluer. Il est ainsi crucial de mettre en place des méthodes fiables de détermination de
données physico-chimiques afin d’identifier les équilibres thermodynamiques, les limites de
solubilité des cations dans les verres et les structures cristallographiques engendrées postdégradation. L’équipe de l’IJL a mis en place une méthode d’étude de systèmes modèles dit
des « billes de verre » pour comprendre la réactivité des espèces mises en jeu.
La corrosion des réfractaires par les gaz et les liquides à haute température : des paramètres clés
et des mécanismes, CEMHTI, Emmanuel De BILBAO, et PROMES, Ludovic CHARPENTIER
Les phénomènes de corrosion à haute température ont été abordés, d’une part, via la
corrosion par les liquides et, d’autre part, par les espèces gazeuses.
La corrosion liquide implique des phénomènes de transport qui gouvernent l’imprégnation
des espèces au travers de la porosité de l’échantillon. Ce type de corrosion est à l’œuvre
dans les grands fours industriels (transport des métaux liquides, incinération des déchets)
et amène à une détérioration accélérée des réfractaires de garnissage. Ainsi les paramètres
clés pour contrôler les mécanismes de dégradation sont, d’une part, la viscosité et la
diffusivité des fluides et, d’autre part, le taux de porosité, la distribution en taille des pores
et leur interconnectivité au sein des matériaux impliqués. Un banc de lévitation
aérodynamique a été conçu au CEMHTI pour mesurer la viscosité du fluide corrosif. Un
effort doit être entrepris pour relier la thermique et la corrosion des réfractaires notamment
en appréhendant la thermique imposée par le procédé d’élaboration et en déterminant
l’émissivité du matériau réfractaire corrodé.
Concernant la corrosion en phase gazeuse à haute température, les paramètres clés sont, la
nature des gaz, la nature des espèces (moléculaires ou dissociées), la pression, la température
et bien évidemment la nature du matériau substrat (composition, porosité et la rugosité de
surface). Cette connaissance est mise à profit dans le domaine de l’aérospatiale et de
l’énergétique. Afin de pouvoir simuler au mieux les conditions de fonctionnement en
température et notamment l’exposition à de forts gradients thermiques, des installations
utilisant l’énergie solaire concentrée ont été mis en place permettant ainsi de caractériser le
comportement des matériaux soumis à des montées en température très sévères (10 K.s-1).
Le Réacteur Hautes Pression et Température Solaire (REHPTS) permet un contrôle de la
température par pyrométrie optique et de la pression tout en analysant la phase gazeuse par
spectrométrie de masse. En complément, le Moyen d’Essai Solaire d’Oxydation (MESOX)
permet de générer un plasma d’air sous faible pression, simulant la rentrée atmosphérique.
La mesure d’émissivité normale sous air ambiant, sous vide ou sous atmosphère contrôlée,
peut être réalisée grâce au Moyen d’Etude et Diagnostic en Ambiance Spatiale Extrême
(MEDIASE). L’ensemble de ces équipements solaires spécifiques permet d’analyser
l’influence des paramètres expérimentaux sur la dégradation des matériaux et ainsi
reproduire différentes conditions d’oxydation.Durabilité des matériaux : enjeux et verrous pour l’intégration massive du stockage d’énergie
thermique dans le cadre de la décarbonation, Total Energies, Bruno DELAHAYE
L’exposé a mis l’accent sur la nécessité de décarboner la chaleur pour traiter la
problématique des émissions de gaz à effet de serre. 50 % de la consommation globale
d’énergie est liée à la production de la chaleur et plus de la moitié de cette chaleur produite
est due aux activités industrielles. Aujourd’hui, 90 % des sources énergétiques générant
cette chaleur industrielle sont d’origines fossiles. Par ailleurs, la consommation de l’énergie
industrielle est concentrée pour des applications à haute température (> 500°C). La
décarbonation des activités industrielles est un enjeu majeur. L’une des voies envisagées
pour répondre à cet enjeu relève des technologies de stockage de l’énergie thermique qui
par exemple utilisent les réseaux de vapeur, les sels fondus ou encore la valorisation de la
chaleur fatale industrielle. Un système commercial de récupération de la chaleur fatale
travaillant jusqu’à 600°C a été présenté. Les principaux challenges pour le déploiement de
ces technologies résident dans l’amélioration des fonctionnalités des équipements et leur
fiabilité, l’estimation des coûts (investissement et fonctionnement), la prédiction de la durée
de vie des installations (> 25 ans), impliquant la sélection des matériaux de structure. La
présentation a mis en avant la stratégie déployée dans le PV comme modèle à transposer
pour le stockage thermique à haute température au travers de la notion de « coût actualisé
de l’énergie ou LCOE » qui tient entre autre compte des coûts d’exploitation et donc de
longévité du dispositif de stockage.
Thème 3 : Comportement thermo-mécanique
La simulation thermomécanique de la prévision de l’endommagement et de la fissuration au
service de la durabilité des pièces céramiques soumises à des gradients thermiques sévères : son
potentiel et ses limites, LMT, Nicolas SCHMITT
Sur la base d’exemples très concrets tels que les centrales solaires thermodynamiques à
concentration, le stockage et l’échange de chaleur à très haute température, et les boucliers
de protection pour l’entrée atmosphérique des véhicules spatiaux, les problématiques et
enjeux principaux relèvent de la maîtrise des flux thermiques, de la tenue mécanique des
matériaux, de leurs coûts de fabrication et de leurs recyclabilités. Il est ainsi crucial de
comprendre finement le comportement physico-chimique et mécanique des matériaux
réfractaires dans leur environnement et caractériser les transformations de leur
microstructure. L’approche scientifique met en évidence des champs de température
hétérogènes pouvant atteindre 3000 K, des variations thermiques temporelles brutales ou
au contraire lentes, souvent des cyclages thermiques et des gradients de température élevés
au sein de la microstructure notamment au sein des revêtements. La combinaison des
analyses en « science des matériaux » et des simulations numériques (Modélisations par
Eléments Finis et par Eléments Discrets) peut s’avérer comme un puissant outil pour
appréhender les endommagements et fissurations des matériaux et de structures,
généralement pris comme denses. Pour ce faire, allier ces doubles compétences est
nécessaire, notamment par la récolte de données expérimentales pour alimenter les
modèles. Des développements sont en cours pour enrichir la modélisation des physiques
couplées, rendre les calculs numériques plus robustes et fiables et réduire les temps de
simulations. Ces outils sont utiles pour aider à la compréhension des phénomènes et aider
à la conception et au design des matériaux et structures. Au niveau des couplages entre
thermique et mécanique, les approches se basent sur des couplages faibles où le traitementdes deux physiques est dissocié. Les stratégies de simulation numérique peuvent traiter la
nature multi-échelle des matériaux étudiés. Toutefois la prédiction de la durabilité et
l’estimation de la durée de vie des pièces céramiques soumises à de hautes températures
nécessite encore des améliorations notamment au niveau de la simulation numérique des
comportements multi-physiques.
Problématiques thermomécaniques des céramiques à hautes et très hautes T°, sous flux radiatifs,
ICA, Thierry CUTARD
Absent
Fissuration quasi-fragile de céramiques réfractaires par DIC à haute température, Saint Gobain,
Paul LEPLAY
Cette présentation a exposé les outils de caractérisation et de simulation des différents
comportements à rupture des matériaux en température. Parmi les différents essais
mécaniques disponibles pour étudier la fissuration des céramiques, l’essai de fendage (dit
Wedge Splitting Test) est particulièrement bien adapté aux ruptures fragiles et quasi-fragile
pour suivre la propagation des fissures sur des distances représentatives de la
microstructure. Couplé à la corrélation d’images (DIC) en température, il est envisageable
d’identifier le moment où les fissures sont initiées et à quelle vitesse elles se propagent.
Ainsi il a été montré qu’avec l’augmentation de la température la rupture évoluerait de
fragile (fissure droite) à ductile (multi-fissuration). De même, plusieurs modèles de
simulation de fissuration des céramiques sont accessibles. Le CZM (Cohesive Zone Model)
présente l’avantage d’être adapté à la rupture non-fragile et disponible dans la plupart des
codes commerciaux. Ainsi en combinant essai WST + mesure DIC + simulation CZM, il
est possible de modéliser la fissuration plus ou moins fragile des réfractaires en température.
En conclusion de cette réunion très riche de discussions et d’échanges, l’ensemble des
exposés met en évidence un fil conducteur lié à des installations dont les températures de
fonctionnement sont élevées et leur durée de vie espérée de plus de 20 ans. Pour répondre
à ce challenge, la stratégie doit comporter trois volets :
– la sélection des matériaux de structure, en ayant connaissance de leurs propriétés
intrinsèques (stabilité thermique, thermo-mécanique, résistance aux chocs
thermiques, propriétés thermiques et thermo-radiatives, comportement à la
corrosion des matériaux en contact avec des fluides portés à haute température) ;
– le développement d’outils expérimentaux instrumentés (tests représentatifs du
comportement du matériau et des conditions environnementales, prédictifs du
vieillissement de ces matériaux) et ceci afin de relier composition chimique, structure
et microstructure des matériaux au comportement à haute température pouvant
intégrer des gaz et des plasmas;
– la modélisation multi-physique de ces comportements en environnement réel
(identification des paramètres clés, établissement de modèles représentatifs intégrant
ou non les transferts radiatifs volumiques, gestion des couplages entre les physiques,
accessibles et robustes).