Article de référence | Réf : IN253 v1

Décapage thermomécanique en voie sèche par jet d’azote cryogénique

Auteur(s) : Abdel TAZIBT, Denis ENTEMEYER, Mustapha YAHIAOUI, Thierry GROSDIDIER

Date de publication : 10 mai 2023

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RÉSUMÉ

Le décapage par jet d’azote cryogénique permet de combiner des effets mécaniques (énergie d’impact du jet, avec ou sans abrasif, effet de souffle) à des effets thermiques basse température. Cette technologie révolutionne le décapage en raison de son efficacité, sa souplesse, sa polyvalence, son très faible impact environnemental grâce au recyclage direct de N2 dans l’atmosphère et sa mise en œuvre sûre pour les opérateurs. Cet article présente, après la description complète du procédé, les différents mécanismes en jeu et les paramètres influents lors du décapage. Ensuite, avantages et inconvénients sont décrits en comparaison avec d’autres procédés de décapage.

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Auteur(s)

  • Abdel TAZIBT : Directeur recherche et innovation - CRITT TJFU, Centre de recherche Jets Fluides Complexes Matériaux Fonctionnels, Institut Carnot, ICEEL, 2 avenue de la Grande Terre, 55000 Bar-le-Duc, France

  • Denis ENTEMEYER : Maître de conférences - Laboratoire d’Étude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3), UMR CNRS 7239, Université de Lorraine, Arts & Métiers ParisTech, 7 rue Félix Savart, 57070 Metz, France

  • Mustapha YAHIAOUI : Ingénieur recherche et développement - CRITT TJFU, Centre de recherche Jets Fluides Complexes Matériaux Fonctionnels, Institut Carnot, ICEEL, 2 avenue de la Grande Terre, 55000 Bar-le-Duc, France

  • Thierry GROSDIDIER : Professeur - Laboratoire d’Étude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3), UMR CNRS 7239, Université de Lorraine, Arts & Métiers ParisTech, 7 rue Félix Savart, 57070 Metz, France, Laboratoire d’excellence Design of alloy metals for low-mass structures (DAMAS), Université de Lorraine, France

INTRODUCTION

Le décapage consiste à éliminer une couche de matière (revêtement ou couche d’oxydes) présente à la surface d’un substrat. Les techniques les plus anciennes sont mécaniques (sablage, grenaillage, jet d’eau), chimiques et thermiques à haute température (laser, induction) ou à basses températures (CO2 carboglace, neige carbonique, CO2 cryogénique). Dans cet article, on décrit une technologie récente et émergente à base de jet d’azote N2 cryogénique proche de l’état supercritique, procédant par voie sèche et combinant des effets mécaniques (énergie d’impact du jet – avec ou sans abrasif –, effet de souffle) à des effets thermiques basse température. Cette nouvelle technologie révolutionne le décapage en raison de son efficacité, de sa souplesse, de sa polyvalence, et de son très faible impact environnemental grâce, en particulier, au recyclage naturel de l’azote dans l’atmosphère après l’opération de décapage ; de surcroît, sa mise en œuvre est sûre pour les opérateurs.

Le décapage à l’azote cryogénique consiste à impacter la surface d’un matériau « revêtu » avec un jet d’azote qui a été préalablement refroidi (– 110 à – 160 °C) et mis sous pression (300 à 3 700 bars) afin de l’amener dans un état proche de l’état supercritique. En sortie de buse, ces caractéristiques évoluent rapidement lors de la détente dans l’atmosphère, mais elles sont suffisantes pour dégrader différents types de revêtement en créant des chocs thermiques à l’impact, dans l’épaisseur du revêtement, et à l’interface substrat/revêtement. En effet, le choc thermique génère des fissures du revêtement ou des décollements à l’interface ; la pression dynamique du jet et l’effet de souffle conduisent finalement à l’enlèvement partiel ou total du substrat. Le décapage sans endommagement du substrat est contrôlé grâce au bon choix des paramètres opératoires en fonction de la nature du revêtement à enlever.

Les domaines d’application sont nombreux et variés. La technique a été initialement développée pour le décapage de matériaux dans les industries de l’aérospatial et du nucléaire. Des travaux récents montrent son intérêt pour le décapage de moules de fonderie, de peintures sur métaux, de couches d’oxydes métalliques, et pour la fracturation de matériaux poreux tels que des bétons.

L’intérêt de la technologie est l’évaporation, après l’impact, de l’azote, constituant principal de l’air ambiant. Totalement neutre pour l’environnement, cette technologie permet de supprimer les inconvénients des autres techniques de décapage mécanique ou chimique, qui nécessitent le traitement d’effluents ou de résidus secondaires.

L’objectif de cet article est de décrire la nouvelle technologie de décapage au jet d’azote cryogénique et de la comparer aux autres procédés de décapage traditionnels. L’approche technico-économique utilisée donnera au lecteur une vision précise de cette technologie émergente, et lui permettra d’en comprendre les principes physiques et technologiques et d’en estimer le potentiel vis-à-vis de diverses utilisations, en particulier dans le cadre du développement de technologies durables.

Points clés

Domaine : Techniques de préparation de surface

Degré de diffusion de la technologie : Émergence

Technologies impliquées : Compression, cryogénie, projection, décapage

Domaines d’application : Aérospatiale, nucléaire, agroalimentaire, industries mécaniques

Principaux acteurs français : CRITT Techniques Jet Fluide et Usinage (TJFU), 55000 Bar-le-Duc, France

  • Pôles de compétitivité : MATERALIA

  • Industriels : IHI GROUP

Autres acteurs dans le monde : IHI GROUP (Japon – USA)

Contact : [email protected]

https://tjfu.eu/

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in253


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GROSDIDIER (T.), BERRIO-MARINE (G.), TIDU (A.), TAZIBT (A.) -   Modification, Ablation and Hardening of Metallic Surfaces by a Cryogenic Nitrogen Jet.  -  Procedia Engineering, 114, p. 506-513 (2015).

  • (2) - DUBS (P.), KHALIJ (M.), BENELMIR (R.), TAZIBT (A.) -   Study on the dynamical characteristics of a supersonic high pressure ratio underexpanded impinging ideal gas jet through numerical simulations.  -  Mechanics Research Communications, 38(3), p. 267-273 (2011).

  • (3) - DUBS (P.), KHALIJ (M.), BENELMIR (R.), TAZIBT (A.) -   Study on the dynamical characteristics of a supersonic high pressure ratio underexpanded impinging ideal gas jet through numerical simulations.  -  Mechanics Research Communications, 38(3), p. 267-273 (2011).

  • (4) - LARIBOU (H.), FRESSENGEAS (C.), -ENTEMEYER (D.), JEANCLAUDE (V.), PESCI (R.), TAZIBT (A.) -   Effects of the impact of a low temperature nitrogen jet on metallic surfaces.  -  Proceedings of the Royal Society A, 468(2147), p. 3601-3619 (2012).

  • (5) - KIRTS (R.E.), STONE (P.L.) -   Paint Removal Using Cryogenic Processes, Naval Civil...

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