La lévitation aérodynamique dédiée à l’estimation de la viscosité de métaux liquides

Dylan Le Maux1^{1}, Mika Ranaivo1^{1}, Edouard Geslain1^{1}, Mickaël Courtois1^{1}, Thomas Pierre1,⋆^{1,\star}, Muriel Carin1^{1}, Philippe Le Masson1^{1}
⋆^{\star} : thomas.pierre@univ-ubs.fr
1^{1} Univ. Bretagne Sud, UMR CNRS 6027, IRDL, F-56100 Lorient, France
Mots clés : Viscocité; lévitation aérodynamique; métaux liquides; hautes températures
Résumé :

Ce travail poursuit une thématique phare du laboratoire : la caractérisation des propriétés physiques des métaux liquides à haute température (> 1 500 ∘^{\circ}C). En effet, le développement de simulations numériques multiphysiques, dans notre cas de procédés métallurgiques, nécessite la connaissance des propriétés physiques des métaux à l’état liquide. Et cet état de la matière ne facilite pas leurs mesures. La littérature n’est cependant pas totalement vierge : les techniques de lévitation sont celles qui offrent le plus de succès mais requièrent des développements technologiques importants [1]. Nous en inspirant, un dispositif de lévitation aérodynamique d’échantillons métalliques chauffés par laser a été développé au laboratoire. Il a donné entière satisfaction pour la mesure à l’état liquide de masse volumique [2] et de tension de surface [3-4] ; pour la diffusivité de métaux à l’état solide, la faisabilité de l’estimation par méthodes bayésiennes a seulement été abordée [5]. En complément, la littérature propose également des résultats de viscosité [6-7]. Dans cette communication, nous étendons notre dispositif expérimental à la mesure de viscosité. Expérimentalement, des ondes acoustiques, propagées par le gaz de lévitation, provoquent la déformation de l’échantillon. Une caméra filme cette déformation durant sa relaxation (oscillations amorties). Un post-traitement trace l’évolution des diamètres principaux de l’échantillon (observable) au cours du temps (variable). Le modèle théorique de relaxation étant fonction de plusieurs paramètres, d’une étude sensibilité précède l’estimation de la viscosité par techniques inverses. Calculée à partir de la formule de Lamb, la viscosité est présentée en fonction de la température sur la plage 1 500 ∘^{\circ}C – 2 000 ∘^{\circ}C pour des échantillons de fer puis comparée avec la littérature.

[1] Le Maux Dylan, Estimation de propriétés thermophysiques : application aux métaux à l’état liquide, thèse de doctorat, Université Bretagne Sud, 2020.

[2] Le Maux, Dylan, et al. « Density measurement of liquid 22MnB5 by aerodynamic levitation ». Review of Scientific Instruments, vol. 90, no 7, juillet 2019, p. 074904.

[3] Le Maux, Dylan, et al. « Surface Tension of Liquid Fe, Nb and 304L SS and Effect of Drop Mass in Aerodynamic Levitation ». Journal of Materials Science, vol. 57, no 25, juillet 2022, p. 12094 106.

[4] Klapczynski, Vincent, et al. « Surface Tension Measurements of Liquid Pure Iron and 304L Stainless Steel under Different Gas Mixtures ». Journal of Molecular Liquids, vol. 350, mars 2022, p. 118558.

[5] Lamien, Bernard, et al. « A Bayesian Approach for the Estimation of the Thermal Diffusivity of Aerodynamically Levitated Solid Metals at High Temperatures ». International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 141, octobre 2019, p. 265 81.

[6] Battezzati, L., et A. L. Greer. « The Viscosity of Liquid Metals and Alloys ». Acta Metallurgica, vol. 37, no 7, juillet 1989, p. 1791 802.

[7] Bakhtiyarov, S. I., et R. A. Overfelt. « Measurement of Liquid Metal Viscosity by Rotational Technique ». Acta Materialia, vol. 47, no 17, novembre 1999, p. 4311 19.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-002

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