Simulation numérique des traitements thermochimiques : applications industrielles

1 - Contexte global

2 - Contexte industriel

3 - Méthodologie de simulation numérique des procédés de traitements thermiques

• 3.1 - Rappels sur les traitements thermiques
  Figure 3 - Schéma de principe d’un cycle de traitement thermique
• 3.2 - Spécificités des traitements thermochimiques
  Figure 4 - Représentation schématique d’un cycle de chauffage/enrichissement d’un traitement de carbonitruration
• 3.3 - Trempe
  Figure 5 - Circulation de l’azote dans la cellule de trempe de l’ICBP Figure 6 - Circulation de l’azote et phénomènes de conduction thermique de l’ICBP Figure 7 - Circulation de l’huile dans le bac de trempe de l’ICA Figure 8 - Circulation de l’huile et phénomènes thermiques
• 3.4 - Bilan des phénomènes physiques mis en jeu
• 3.5 - Outils de simulation numérique des traitements thermiques
  Figure 9 - Couverture des phénomènes physiques et couplages par les logiciels SYSWELD, FLUENT et FIRE
• 3.6 - Méthodologie et cas de validation
  Figure 10 - Principe de mise au point et d'application de la méthodologie Figure 11 - Chaînage entre mécanique des fluides et mécanique du solide par projection des HTC ou des flux thermiques Figure 12 - Calculs, données d’entrées et transferts de champs Figure 13 - Géométries du pignon PR5 et de la couronne de pont Figure 14 - Géométries simplifiées des charges de pignons PR5 et de couronnes de pont Figure 15 - Exemples de maillage Figure 16 - Maillage de la couronne de pont pour les calculs SYSWELD Figure 17 - Propriétés des fluides de trempe pour les simulations sous FLUENT et FIRE Figure 18 - Modèles de conductivité thermique des phases solides α et β Figure 19 - Modèles d'enthalpie des phases solides α et γ Figure 20 - Diagramme TRC pour les pourcentages de carbone 0,3 et 0,9 % Figure 21 - Module d'Young en fonction de la température Figure 22 - Limite d’élasticité des différentes phases en fonction de la température et du pourcentage de carbone Figure 23 - Courbes d’écrouissage Figure 24 - Courbes de déformation thermo-métallurgiques en fonction de la température et des phases métallurgiques Figure 25 - Cas test PSA – Trempe huile Figure 26 - Éprouvette tubulaire avec épaisseur variable pour essais de trempe gaz – Thèse de J.F. Douce [9] Figure 27 - Éprouvette anneau pour essais de trempe – Thèse de C. Nicolas [10] Tableau 1 Tableau 2

4 - Applications aux traitements thermochimiques des pignons de boîte de vitesse

• 4.1 - Simulation d’un traitement de cémentation basse pression d’un pignon PR5
  Figure 28 - Cas test industriel PSA – Charge PR5/trempe gaz Figure 29 - Vitesse d’écoulement du gaz (en m.s−1) dans la charge (temps 5 s) Figure 30 - Températures (en K) (temps 5 s) Figure 31 - Coefficients d’échanges HTC (en W.m−2.K−1) en surface des pièces Figure 32 - Cartes en coupe Figure 33 - Comparaisons entre les courbes de refroidissement simulées et mesurées sur charge PR5 (pour 3 étages) Figure 34 - Comparaison des courbes de refroidissement de l’ensemble des pièces pour deux modalités de chargement Figure 35 - Carte des coefficients d’échanges thermiques (en W.m−2.K−1) (pignon en position 2 sur grille du haut) Figure 36 - Carte de proportions en fin de refroidissement du pignon PR5 (pignon en position 2 sur grille du haut) Figure 37 - Carte des contraintes résiduelles en fin de traitement du pignon PR5 (pignon en position 2 sur grille du haut)
• 4.2 - Simulation d’un traitement de carbonitruration/trempe huile d’une couronne de pont
  Figure 38 - Cartes de fraction volumique de phase liquide Figure 39 - Vitesse verticale (en m.s−1) de la phase liquide (temps 2 s) Figure 40 - Température (en K) au bout de 5 s de refroidissement Figure 41 - Cartes en coupe Figure 42 - Carte des flux thermiques (en W.m−2) de la pile de couronnes de pont Figure 43 - Carte des flux thermiques (en W.m−2) d’une pièce à géométrie réelle située au sommet de la pile, temps 2s Figure 44 - Carte du pourcentage de carbone en fin de phase d’enrichissement Figure 45 - Carte des proportions en fin de refroidissement Figure 46 - Déplacements (en mm) et comparaison des profils avant/après traitement avec un profil final 100x (pièce située en sommet de pile) Figure 47 - Carte des contraintes résiduelles en fin de traitement de la couronne de pont (pièce située en sommet de pile)

5 - Conclusion et perspectives