Étude expérimentale et numérique du procédé de trempe par jet d’eau impactant

La trempe a eau par jet impactant est une etape cle des traitements thermiques subis par les tubes d'acier sans soudure. Elle permet, par le controle des evolutions microstructurales de l'acier, de conferer des proprietes mecaniques elevees, requises par l'utilisation des tubes dans des environnements de plus en plus extremes (nouvelles generations de centrales electriques, forages tres profonds,…). En cours de trempe, des phenomenes complexes se produisent a la fois en surface des tubes et au sein du materiau. Les mecanismes au sein du tube (diffusion thermique – transformations de phases – contraintes - deformations) sont en effet etroitement lies aux phenomenes hydrauliques et thermiques survenant en surface de celui-ci. L'ensemble de ces phenomenes et leur couplage requierent une parfaite comprehension et maitrise pour anticiper l'apparition de certains defauts de trempe comme le cintrage des tubes ou les tapures et optimiser le traitement thermique. Nous avons donc mis en place au cours de ce travail de these, une demarche en deux temps. Dans un premier temps, a l'aide de deux dispositifs originaux de refroidissement, par un jet d'eau plan impactant, d'un cylindre tournant en Ni201 prechauffe a 600°C, nous avons etudie les effets de plusieurs parametres operatoires sur les transferts thermiques: sous-refroidissement, vitesse du jet, vitesse de deplacement de la paroi, orientation et angle d'impact du jet. A l'issue de cette campagne, de nouvelles correlations predisant la densite de flux maximale echangee en paroi, qui prennent en compte la mobilite de la paroi, ont ete proposees. En parallele de ces experimentations, nous avons entrepris la simulation numerique de la configuration experimentale en utilisant le code de mecanique des fluides Fluent. Cependant la difficulte rencontree pour simuler, a partir des modeles d'ebullition disponibles par defaut dans le code, l'ensemble des regimes de transfert thermique –et leur occurrence, n'a pas pu etre surmontee. Dans un second temps, nous avons construit, au sein du centre de recherche de Vallourec, un dispositif experimental de refroidissement heterogene d'un tube en acier 42CrMo4 par un jet d'eau plan impactant la generatrice superieure. La temperature du tube (en plusieurs points) et le deplacement vertical en son milieu etaient mesures lors des essais. De plus, des visualisations a l'aide d'une camera rapide ont permis de suivre le front de remouillage en tout debut de trempe. En parallele, nous avons realise des simulations de ces experiences pour calculer les evolutions de temperature, les cinetiques de transformations de phases et les evolutions des contraintes et des deformations au sein du tube d'acier. Pour cela nous avons utilise le code de calcul par elements finis, Sysweld, auquel est integre le modele de prediction des cinetiques de transformations de phases, PhaseRC. Un jeu de parametres thermophysiques, thermometallurgiques et thermomecaniques a ete etabli en se basant sur des travaux anterieurs et sur des caracterisations experimentales menees au laboratoire. L'analyse des resultats des simulations a permis de comprendre l'evolution de la fleche du tube en fonction des gradients de temperature et de la progression des transformations de phases au cours du refroidissement. La comparaison calcul - experience a mis en evidence des ecarts que nous avons tente d'expliquer. Nous avons propose des pistes pour poursuivre le travail entrepris au cours de cette these