Mesure de tension de surface de métaux à l'état liquide par lévitation aérodynamique
Creators: name: Le Maux, Dylan
name: Courtois, Mickaël
name: Pierre, Thomas
name: Le Masson, Philippe
Publisher: name: Société Française de Thermique
Year: 2020
Subjects: Métaux liquides
tension de surface
lévitation aérodynamique

description: La tension de surface du métal liquide est un élément clé dans la modélisation numérique de procédés tel que le soudage et la fabrication additive métallique. Il est par exemple possible de prédire la forme du bain fondu connaissant la thermo-dépendance de la tension de surface aussi appelé effet Marangoni. Cependant, concernant les aciers, cette propriété est mal connue. Un dispositif expérimental est donc en développement afin de mesurer les propriétés thermophysiques dont la tension de surface de métaux liquides. Ce dispositif a déjà permis de mesurer la densité de corps purs ainsi que d'aciers commerciaux sur une gamme de 1 000 $^{\circ}$C au-delà du point de fusion avec une précision de $\pm$~1\% [1]. La mesure de la tension de surface se fait ici avec la méthode de la goutte oscillante. Un échantillon de métal est mis en lévitation et chauffé par laser jusqu'à atteindre l'état liquide à une température contrôlée. Dans ce travail, une sollicitation acoustique est employée pour faire osciller la goutte : un signal sinusoïdal est généré, amplifié et transformé en ondes de pression par un haut-parleur. La formule de Rayleigh permet de déterminer la tension de surface directement à partir de la fréquence de résonnance d'une goutte [2]. Cependant, une goutte oscillante peut être sujette à plusieurs rotations et à une déformation statique pouvant induire différents modes d'oscillations et donc plusieurs fréquences caractéristiques. Pour déterminer le nombre et la valeur de ces fréquences, une transformée de Fourier est faite sur la variation temporelle des diamètres de la goutte oscillante, donnant un spectre d'amplitude de fréquences. Dans la littérature, une moyenne quadratique de ces fréquences est généralement faite pour estimer la fréquence de résonnance, à condition de pouvoir faire correspondre les fréquences caractéristiques à leur mode d'oscillation. Sans attention particulière, la goutte tourne sur elle-même de manière hasardeuse, ce qui empêche de faire cette correspondance. Dans ces travaux, un jet de gaz latéral est développé et appliqué sur la goutte afin de forcer la rotation selon un axe vertical à une vitesse suffisamment importante pour prévenir toute autre oscillation que celle du mode 2 pur. Il en résulte un spectre ne comportant plus qu'une fréquence caractéristique. En la considérant comme la fréquence de résonnance, la tension de surface est calculée avec la formule de Rayleigh. La méthode de mesure de la tension de surface est validée sur plusieurs corps purs à différents niveaux de température entre 1 500 et 2 200 $^{\circ}$C. Cette propriété étant très sensible à la pollution du matériau notamment par oxydation, une attention particulière est portée sur l'influence de l'oxygène. Par la suite, la méthode de la goutte oscillante sera également exploitée pour la mesure de la viscosité. \footnotesize{ \noindent ~[1] D. Le Maux, M. Courtois, T. Pierre, B. Lamien, et P. Le Masson, « Density measurement of liquid 22MnB5 by aerodynamic levitation », Rev. Sci. Instrum., vol. 90, no 7, p. 074904, juill. 2019. \noindent ~[2] Lord Rayleigh, « On The Instability Of Jets », Proc. Lond. Math. Soc., vol. s1-10, no 1, p. 4‑13, nov. 1878.}