Investigation on Blanching on Cryogenic Engines Combustion Chamber Inner Liner


Thèse de Hugo DUVAL (Tribologie et Matériaux)

Type :

Doctorat

Date de soutenance :

05/12/2014

Lieu de soutenance :

Supméca

Mots-clés :

Blanching, Oxydation, réduction, haute température, oxyde de cuivre, oxyde de chrome, moteurs cryogéniques, endommagement thermique

Directeur(s) de thèse :

Geneviève INGLEBERT

Co-encadrant(s) :

Patrice JOUINOT

Co-encadrant(s) externe(s) :

TCHOU - RIEN David ( CNES)

Ecole doctorale :

Ecole Centrale de Paris


Jury :

Geneviève INGLEBERT - directeur
Patrice JOUINOT - encadrant
CHEVALIER Luc - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle - rapporteur
RICHARD Caroline - Polytech Tours - rapporteur
RICCIUS Jörg - DLR
HAIDN Oskar - Extraordinariat Raumfahrtantriebe Lehrstuhl für Flugantriebe
BEGOC Sébastien - CNES - DLA/SDT/SME
Véronique DA SILVA

Résumé :

Les conditions thermodynamiques et cinétiques dans les moteurs cryogéniques sont sévères, en particulier pour la mince paroi interne de la chambre de combustion. Bien que peu résistant mécaniquement, un alliage de cuivre est utilisé pour maximiser les transferts thermiques à travers cette paroi et ainsi améliorer l’efficacité du moteur.
Cependant, les fluctuations de concentration et de pression des propergols (tels que l’oxygène ou l’hydrogène liquide) à la surface de la paroi favorisent l’endommagement de l’alliage, en particulier si la paroi n’est pas en permanence couverte d’une pellicule d’hydrogène (barrière contre l’oxydation). Ce phénomène est connu sous le nom de « blanching », qui est la succession de courts cycles d’oxydation et de réduction dues à l’exposition de la paroi de la chambre de combustion aux atmosphères oxydants et réducteurs. Le blanching mène à la diminution de l’épaisseur de la paroi de la chambre, pouvant même conduire à la rupture de la paroi.

Les alliages de cuivre peuvent, en fonction de leur composition, apporter une protection à l’oxydation et à la réduction. Comme le cuivre est indispensable grâce à sa conductivité thermique élevée, des éléments d’addition sont souvent ajoutés à l’alliage pour augmenter ses résistances mécaniques et chimiques. Cette étude met en avant les différences de comportement aux cycles d’oxydoréduction de trois matériaux (Cuivre OFHC, et deux alliages Cuivre-Chrome) à des hautes températures. Elle permet de cibler l’endommagement thermochimique qui se produit dans les « vraies » chambres de combustion.

Les essais réalisés consistent en l’oxydation et la réduction d’échantillons pendant 40 cycles successifs dans des atmosphères contrôlées à 600, 750 ou 900°C. L’oxydation est obtenue par l’air artificiel (O2+N2) et la réduction est obtenue par l’introduction de monoxyde de carbone. Les différences obtenues entre les échantillons des différents essais peuvent être due à la croissance d’oxydes secondaires, qui ne sont pas réduits pendant la phase de réduction, alors que le cuivre et ses oxydes simples le sont. Les couches d’oxydes doivent être identifies, car leur exploitation pourrait renseigner sur le comportement à l’oxydoréduction des matériaux pendant le blanching. Les analyses RAMAN et MEB confirment bien la présence d’oxydes secondaires sous la couche principale d’oxyde de cuivre, montrant que ce type d’endommagement est probablement lié à la composition des matériaux et de leur comportement à haute température.