Brevet FR2720503A1 — publié le 19951201

SYSTèME DE CARACTERISATION THE RMOME CAN IQUE DE MATERIAUX UTILISANT UN DISPOSITIF DE CHAUFFAGE RAPIDE PAR INDUCTION DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un système de caractérisation thermomécanique d'un échantillon de matériau soumis à un échauffement dynamique généré par un dispositif de chauffage par induction. Elle trouve de nombreuses applications dans les domaines de l'aéronautique, de l'automobile et dans tous les domaines utilisant des matériaux nouveaux. Etat de la technique Pour utiliser ces matériaux nouveaux, il est généralement nécessaire de connaître les comportements thermomécaniques de ces matériaux, c'est-à-dire de connaître les valeurs des déformations d'un matériau soumis simultanément à un échauffement dynamique et à un effort de contrainte. De nombreux dispositifs permettent classiquement de déterminer des caractéristiques thermomécaniques de matériaux. Cependant, la plupart de ces dispositifs ne permettent qu'une montée en température relativement lente, ce qui n'est pas réellement représentatif des sollicitations thermiques d'un matériau dans son utilisation "normale". Aussi, différentes sortes de chauffage peuvent être envisagées pour permettre une montée en température rapide - le chauffage par four solaire décrit dans le document de support du Symposium international des 21-23 septembrel992, intitulé "Ultra high temperature mechanical testing" et plus particulièrement dans le chapitre "Measurement of high temperature emissivity on opaque materials using a temperature controlled solar furnace". Ce type de chauffage permet de générer un flux thermique d'environ 6,4 MW/cm2, ce qui permet à un échantillon d'être porté à une température d'environ 2 800"C. Cependant, la mise en oeuvre d'un tel chauffage a pour inconvénient de nécessiter l'utilisation d'une sphère d'intégration - le chauffage par laser CO2 commercialisé par la Société OPTILAS ; ce chauffage assure une puissance de 6 kW maximum et donc une température maximale de 2 000 C sur l'échantillon. Un tel type de chauffage ne permet pas une montée en température suffisamment rapide ; en outre, sa mise en oeuvre nécessite l'utilisation d'une sphère d'intégration ; - le chauffage par lampes à arc au xénon, commercialisé par la Société OPTILAS permet de générer une puissance suffisante pour atteindre une température d'échantillon de 3 300"C, mais il nécessite l'utilisation d'un nombre important de lampes d'un coût fort onéreux. Néanmoins, ce type de chauffage, comme les deux types de chauffage par rayonnements lumineux cités précédemment, sont difficilement intégrables dans un système de caractérisation thermomécanique ; - le chauffage par effet Joule direct qui consiste à faire passer un courant électrique dans un échantillon de matériau. Un tel type de chauffage est difficilement as sociable aux moyens permettant de générer des efforts mécaniques du fait des importantes pertes thermiques de ces moyens et des pertes radiatives de la surface de l'échantillon ; - le chauffage résistif commercialisé par les Sociétés IPSEN (en France) et CENTORR (aux USA) ; il utilise un résistor en graphite et des écrans de calfeutrement en feutre de graphite. Ce chauffage qui peut permettre d'atteindre une température d'échantillon de 3 000"C, n'assure qu'une montée en température lente avoisinant les 1 SOO"C/h. De plus, ce type de chauffage présente l'inconvénient que, avec le temps, le résistor se dégrade par sublimation. Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un système de caractérisation thermomécanique de matériaux utilisant un dispositif de chauffage par induction permettant à l'échantillon d'atteindre une température de 3 300"C en un maximum de 20 secondes. Un tel chauffage par induction est réalisé au moyen d'un suscepteur qui est placé dans un champ magnétique variable et qui induit une force électromotrice. Les courants induits (ou courants de Foucault) qui parcourent ce suscepteur se transforment ensuite en chaleur. L'échantillon est donc chauffé par les rayonnements émis par le suscepteur. De façon plus précise, l'invention concerne un système de caractérisation thermomécanique d'un matériau comprenant - une enceinte isolante à l'intérieur de laquelle se trouve un échantillon de matériau de forme sensiblement cylindrique - des moyens de pression fixes et des moyens de pression mobiles situés au moins en partie dans l'enceinte et entre lesquels est déposé l'échantillon, ces moyens de pression étant aptes à soumettre l'échantillon à un effort de compression ; - des moyens de commande de l'effort à appliquer sur l'échantillon ; - des moyens de visées pour déterminer les déformations subies par l'échantillon. Ce système se caractérise par le fait qu'il comporte des moyens de chauffage rapide par induction disposés dans l'enceinte et comprenant - des moyens inducteurs disposés au moins en partie autour de l'échantillon et générant des courants induits - des moyens suscepteurs disposés entre l'échantillon et les moyens inducteurs pour transformer les courants induits en rayonnements de chaleur ; et - des moyens de protection thermique disposés entre les moyens inducteurs et les moyens suscepteurs pour protéger lesdits moyens inducteurs des rayonnements de chaleur émis par les moyens suscepteurs. Avantageusement, les moyens inducteurs comportent au moins une bobine d'induction de section carrée ayant un côté faisant face aux moyens de protection thermique et séparé de ces moyens de protection thermique par une lame d'air 26. Cette bobine peut comporter une ailette interne logée à l'intérieur de ladite bobine pour assurer une plus grande surface d'échange de chaleur. Selon l'invention, les moyens inducteurs comportent une couche de béton réfractaire qui entoure la bobine d'induction sur les côtés qui ne sont pas en contact avec les moyens de protection thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens inducteurs comportent trois bobines d'inductions parallèles les unes aux autres. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de protection thermique consistent en une couche d'alumine (Al203) ayant des porosités remplies d'un enduit à base de gel de céramique. Les moyens de chauffage rapide comportent en outre - un plateau supérieur recouvrant les moyens inducteurs, les moyens suscepteurs et les moyens de protection thermique ; et - un plateau inférieur disposé symétriquement au plateau supérieur par rapport à l'échantillon. Au moins une partie de ces plateaux constituent une canalisation permettant la circulation d'un liquide de refroidissement. Ces moyens de chauffage peuvent comporter de plus deux bouchons isolants supérieur et inférieur introduits, respectivement, entre le plateau supérieur et les moyens de pression et entre le plateau inférieur et les moyens de pression pour assurer un confinement de la chaleur entre les deux plateaux. Selon l'invention, les moyens de chauffage rapide comportent des percées radiales permettant le passage des moyens de visée. Ces moyens de chauffage rapide permettent d'atteindre ainsi une température d'au moins 3 300"C avec une vitesse comprise entre sensiblement 160 et 200"C/s. Brève description des dessins - La figure 1 représente une vue de face en coupe partielle du système de caractérisation de matériaux - la figure 2 représente une coupe en perspective du dispositif de chauffage rapide selon l'invention. Exposé détaillé d'un mode de réalisation de l'invention Sur la figure 1, on a représenté le système 1 de caractérisation thermomécanique de matériaux vu de face. L'enceinte isolante 3 a été représentée en coupe partielle de façon à laisser voir les moyens qui se trouvent à l'intérieur. Ce sytème 1 de caractérisation comporte un bâti 5 d'essais mécaniques auquel sont fixés des moyens de pression fixes 7 et des moyens de pression mobiles 9 aptes à compresser l'échantillon pour qu'il soit soumis à un effort de compression mécanique de force F ; cet échantillon n'est pas visible sur la figure 1 car il est disposé à l'intérieur du dispositif de chauffage 11. Les moyens de pression fixes 7 comportent classiquement une traverse supérieure 7a, un mors hydraulique supérieur 7b et un piston fixe 7c. Les moyens de pression mobiles 9 comportent classiquement un vérin mobile 9a, un mors hydraulique inférieur 9b, un piston mobile 9c et un soufflet inférieur 9d qui assure la mobilité du vérin 9a. Les mors hydrauliques inférieur 9b et supérieur 9c sont disposés, au moins en partie, à l'intérieur de l'enceinte isolante 3. Les pistons mobile 9c et fixe 7c sont situés également à l'intérieur de l'enceinte isolante 3 et sont même, en partie, introduits dans le dispositif de chauffage 11. L'échantillon de matériau à caractériser se trouve à l'intérieur du dispositif de chauffage 11, entre le piston mobile 9c et le piston fixe 7c. Ainsi, l'échantillon peut être simultanément chauffé par le dispositif de chauffage il et compressé par les pistons 7c et 9c. Une cellule de mesure 13 située en partie supérieure du système 1 de caractérisation permet de mesurer la valeur des efforts appliqués à l'échantillon. L'enceinte étanche 3 comporte des ouvertures 17, ou percées, par lesquelles sont effectuées différentes visées qui permettent d'effectuer des mesures sur l'échantillon - une visée pyrométrique qui permet d'assurer une régulation de la température de l'échantillon ; et - des visées extensométriques qui permettent de mesurer, au moyen d'un extensomètre laser, les déformations subies par l'échantillon jusqu'à une température d'échantillon de 2 5000C. L'enceinte étanche 3 comporte de plus des percées lSa assurant le passage d'un extensomètre de contact 15 qui permet de mesurer les déformations subies par l'échantillon dans les cas où la température de l'échantillon est inférieure à 2 5000C. Dans les cas où l'échantillon est porté à une température supérieure ou égale à 2 500 C, ces percées 15a sont rebouchées par des bouchons en Alumine. Des percées 17 assurent, en outre, le passage d'une sonde à thermocouples. Cette sonde vérifie si la température mesurée de l'échantillon correspond aux températures de consignes mémorisées ; elle protège ainsi le dispositif de chauffage 11 contre toute élévation de température anormale (pouvant résulter notamment d'un flash électrique) et contre tout défaut de refroidissement. Sur la figure 2, on a représenté une vue en perspective du dispositif de chauffage 11. Cette figure montre le dispositif de chauffage 11 en coupe. Sur cette figure 2, on a représenté l'échantillon 21 de matériau à étudier disposé entre les pistons fixe 7c et mobile 9c. Cet échantillon 21 est soumis à la force de compression F. Autour de l'échantillon 21, sont disposés en couches circulaires - des moyens suscepteurs 23, appelés aussi plus simplement suscepteurs - des moyens de protection thermique 25, appelés aussi bouclier thermique ; et - des moyens inducteurs 27a, 27b, 27c. De façon plus précise, ces moyens inducteurs comportent au moins une bobine d'induction. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens inducteurs comprennent trois bobines d'inductions 27a, 27b, 27c disposées parallèlement les unes aux autres dans le sens longitudinal. Ces bobines ont chacune une section carrée ; elles ont chacune un côté, qui est séparé du bouclier thermique 25 par une lame d'air 26 de façon à ne pas être en contact direct avec ce bouclier thermique 25. Elles sont entourées, sur les trois autres côtés d'une couche de béton réfractaire 29 assurant une isolation entre la partie du dispositif 11 soumise à la forte température et l'enceinte. Cette couche 29 de béton assure un certain confinement de la chaleur au coeur du dispositif de chauffage Il. Avantageusement, ces bobines 27a, 27b, 27c comportent chacune une ailette interne, référencée respectivement 28a, 28b, 28c, qui permet d'augmenter la surface d'échange des bobines et, de ce fait, de faciliter l'évacuation de l'énergie fournie par les bobines vers le coeur du dispositif de chauffage 11. Le suscepteur 23 est disposé sensiblement autour de l'échantillon 21 dans le champ magnétique créé par les bobines d'induction 27a, 27b, 27c du dispositif de chauffage 11. Ce suscepteur 23 est parcouru par les courants induits par les bobines (ou courants de Foucault) qu'il transforme en rayonnements de chaleur. L'échantillon 21 soumis à ces rayonnements de chaleur monte en température, jusqu'à la température choisie pour étudier le comportement du matériau. Selon un mode de réalisation de l'invention, ce suscepteur est en graphite. Le bouclier thermique 25 permet de protéger les bobines d'induction 27a, 27b, 27c des rayonnements émis par le suscepteur 23. Selon l'invention, ce bouclier thermique est réalisé en une couche d'alumine (A1203) dont les porosités sont remplies d'un enduit à base de gel céramique. Un tel bouclier thermique est apte à résister à une tension de claquage d'environ 3 000 volts. Le dispositif de chauffage 11 comporte en outre des plateaux en forme de couronnes, à savoir un plateau supérieur 31 et un plateau inférieur 33 qui recouvrent les moyens inducteurs 27a, 27b, 27c. Ces plateaux 31 et 33 sont réalisés en cuivre et comportent chacun une canalisation, respectivement 31a et 33a, dans laquelle circule un liquide de refroidissement permettant de favoriser une évacuation rapide des calories exessives. Ces plateaux permettent en outre de rigidifier l'ensemble du dispositif. Selon un mode de réalisation de l'invention, des bouchons isolants supérieur 35 et inférieur 37 sont logés dans l'ouverture centrale respective des plateaux 31 et 33. Ces bouchons isolants 35 et 37, réalisés, par exemple en feutre de graphite rigidifié de faible densité, assurent le confinement de la chaleur au coeur du dispositif de chauffage 11. Ils permettent en outre d'éliminer les gradients thermiques et les pertes calorifiques radiales et longitudinales. Selon un mode de réalisation de l'invention, le confinement de la chaleur est encore amélioré en disposant, aux extrémités supérieure et inférieure de leur piston respectif 7c et 9c, des barrières thermiques 39 et 41 qui minimisent les pertes des calories longitudinales et assurent ainsi de faibles gradients longitudinaux sur l'échantillon. Sur cette figure 2, sont également représentés des percées 19 pour les visées extensométriques ou pyrométriques et des percées 15a pour le passage de l'extensomètre de contact. Le dispositif de chauffage Il tel que représenté sur la figure 2 est donc apte à fournir une température de 3 300"C en un temps de montée d'environ 16 à 20 secondes, ce qui conduit à une vitesse de montée en température d'environ 160 à 2000C/s. De telles performances peuvent être atteintes avec un gradient de température longitudinal sur l'échantillon de seulement 4 % à 3 200"C et avec un gradient de température radial sur l'échantillon négligeable. On comprendra, bien entendu, que ce dispositif de chauffage peut également être utilisé dans des cas où un chauffage lent est nécessaire ainsi que dans les cas où la température de l'échantillon doit être plus faible que 3 300"C. REVENDICATIONS 1. Système de caractérisation thermomécanique d'un matériau comprenant - une enceinte isolante (3) à l'intérieur de laquelle se trouve un échantillon de matériau (21) de forme sensiblement cylindrique - des moyens de pression fixes (7) et des moyens de pression mobiles (9) situés au moins en partie dans l'enceinte et entre lesquels est déposé l'échantillon, ces moyens de pression étant aptes à soumettre l'échantillon à un effort de compression (F) - des moyens (13) de commande de l'effort à appliquer sur l'échantillon ; - des moyens de visées pour déterminer les déformations subies par l'échantillon, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11) de chauffage rapide par induction disposés dans l'enceinte et comprenant - des moyens inducteurs (27a-c) disposés au moins en partie autour de l'échantillon et générant des courants induits - des moyens suscepteurs (23) disposés entre l'échantillon et les moyens inducteurs pour transformer les courants induits en rayonnements de chaleur - des moyens (25) de protection thermique disposés entre les moyens inducteurs et les moyens suscepteurs pour protéger lesdits moyens inducteurs des rayonnements de chaleur émis par les moyens suscepteurs ; et - des moyens d'isolation (29) entourant globalement les moyens inducteurs. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens inducteurs comportent au moins une bobine d'induction (27a ou 27b ou 27c) de section carrée ayant un côté faisant face aux moyens de protection thermique, et séparé de ces moyens de protection thermique par une lame d'air (26). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine d'induction comporte une ailette interne (28a ou 28b ou 28c) logée à l'intérieur de ladite bobine pour assurer une plus grande surface d'échange de chaleur. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens d'isolation consistent en une couche de béton réfractaire (29) qui entoure la bobine d'induction sur ses cotés autres que celui faisant face aux moyens de protection thermique. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens inducteurs comportent trois bobines d'inductions parallèles les unes aux autres. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de protection thermique consistent en une couche d'alumine (A1203) ayant des porosités remplies d'un enduit à base de gel de céramique. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de chauffage rapide comportent en outre - un plateau supérieur (31) recouvrant les moyens inducteurs, les moyens d'isolation, les moyens suscepteurs et les moyens de protection thermique ; et - un plateau inférieur (33) disposé symétriquement au plateau supérieur par rapport à l'échantillon. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins une partie de ces plateaux (31a, 33a) constitue une canalisation pour permettre une circulation d'un liquide de refroidissement. 9. Système selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens de chauffage rapide comportant deux bouchons isolants supérieur (35) et inférieur (37) introduits, respectivement, entre le plateau supérieur et les moyens de pression et entre le plateau inférieur et les moyens de pression pour assurer un confinement de la chaleur entre les deux plateaux. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de chauffage rapide comportent des percées radiales (1Sa, 19) permettant le passage des moyens de visée. 11. Système selon l'une quelconque desrevendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens de chauffage rapide permettent d'atteindre une température d'au moins 3 3000C avec une vitesse comprise entre sensiblement 160 et 2000C/s.