[Publication] Evaporation et expansion sous vide de métaux purs à haute température : application au titane et zirconium

Dans ce contexte, nos chercheur.es ont mis en œuvre une large étude pour étudier les cinétiques d’évaporation sous vide ainsi que l’expansion de la vapeur, à la fois expérimentalement à l’aide d’une installation de fusion par bombardement électronique, et aussi numériquement avec une modélisation du transport de la vapeur sous atmosphère raréfiée (Ar) grâce à une technique FPM (Finite Pointset Method).

Pour valider cette approche, ce travail est appliqué à des métaux purs, le titane et le zirconium.
Un dispositif expérimental a été ainsi mis en place afin de mesurer dans des conditions industrielles usuelles (10-2 Pa) les flux d'évaporation ainsi que l'expansion de la vapeur métallique. Des campagnes d’essai ont été appliquées au Ti et au Zr dans le but d'étudier l'effet de la différence de deux ordres de grandeur entre les pressions de vapeur de ces deux métaux. Les résultats numériques sont comparés à une série de mesures expérimentales pour le Ti et le Zr et mettent en évidence une excellente prédiction du taux d'évaporation et de l'expansion de la vapeur.

La loi d'évaporation de Knudsen modélise bien l'expansion de la vapeur dans les conditions expérimentales. Un flux moléculaire libre est logiquement constaté pour la faible évaporation du Zr (exposant n=1) alors qu'un faible flux collisionnel est observé dans le cas du Ti (n=2). Les valeurs des coefficients de recondensation exprimées par la loi de Hertz-Langmuir-Knudsen montrent que le flux de recondensation du Zr à la surface du liquide est négligeable dans les conditions habituelles (PAr=10-2 Pa) mais sa valeur augmente jusqu'à 54% pour une pression d'argon de 5 Pa. Dans le cas du Ti, le coefficient de recondensation atteint 6% (PAr=10-2 Pa).

Les approches expérimentale et numérique se sont avérées efficaces, ce qui nous permet de les appliquer avec confiance pour étudier l'évaporation des alliages métalliques à haute température. Ainsi, une évaluation des coefficients d'activité des principaux éléments d'alliage du Ti a déjà été publiée précédemment.
 

Références :

Titre : Vacuum evaporation and expansion of pure metals at high temperature: application to titanium and zirconium

Auteurs : Thomas Poullain, Jean-Pierre Bellot, Julien Jourdan, Isabelle Crassous, Alain Jardy

Nom de la revue : Vacuum

Date de parution (en ligne) : Juin 2022

Lien : https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111209

Légende de l'image : Carte de la densité atomique de la vapeur de Titane calculée au-dessus du bain liquide