Comportement thermomécanique de structures alvéolaires pour pots catalytiques

Thermo-mechanical behaviour of metallic honeycomb structures for catalytic converters

• Auteur / Autrice : Angelos Germidis
• Direction : Eric Andrieu, Georges Cailletaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse mathématique

Propriétés thermomécaniques

Fer -- Alliages

Automobiles -- Convertisseurs catalytiques

Résistance des matériaux

Matériaux réfractaires

Résumé

Les structures alvéolaires en alliage réfractaire Fer-Chrome-Aluminium pour pot catalytique sont sollicitées à haute température en milieu oxydant. Les travaux menés sur le matériau et la structure ont visé à comprendre les mécanismes d’endommagement des pièces en service, principalement la ruine par oxydation ou couplage entre oxydation et fatigue thermomécanique. Le volet matériau a été étudié en trois temps : Etude microstructurale et cinétique du vieillissement. Etude du comportement mécanique du feuillard métallique à haute température (800-1000°C) et basses contraintes. Etude expérimentale et numérique du composite oxyde-métal et plus, particulièrement l’effet de renfort et les instabilités dimensionnelles isothermes et anisothermes. Ce travail fournit les éléments essentiels pour définir un traitement de pré-oxydation optimisant accrochage du wash-coat, protection contre l’oxydation et stabilité dimensionnelle. D’un point de vue plus fondamental, nous avons aussi étudié les déformations de croissance dans une couche d’oxyde reposant sur l’analyse d’essais spécifiques, le dispositif d’essais mécaniques pour feuillards minces développé au Centre des Matériaux et le code de simulation numérique Zebulon. Le volet structure a concerné le cas du monolithe métallique spirale. L’étude des propriétés élastiques locales du nid d’abeilles a mis en évidence l’importance de la géométrie exacte de la zone brasée sur le comportement de l’ensemble, et des deux microstructures extrêmes du monolithe spirale, en phase et en opposition de phase, qui présentent un comportement élastique et en cyclage thermique très différents. Une analyse mathématique a permis de déterminer la loi de répartition de ces deux phases en fonction du rapport L/e entre le pas et l’amplitude du feuillard ondulé. Un examen de pièces endommagées a confirmé l’influence de ce paramètre.

Honeycomb structures for catalytic converters made of refractory Iron-Chromium-Aluminium alloy work at high temperature in oxidizing conditions. This thesis aims at understanding the damage mechanisms of parts in service, mainly due to oxidation or coupled oxidation and thermal fatigue of the structure. Material related aspects have been studied in 3 steps : Microstructural and kinetic study of ageing. Study of the mechanical behaviour at high temperature (800-1000°C) and low stresses of the metallic foil. Experimental and numerical simulation of the metal-oxide composite, with focus on reinforcement effects and isothermal/ anisothermal dimensional stability issues. This works basic data and knowledge to define an optimal preoxidation treatment optimising wash-coat adhesion, oxidation protection and dimensional stability. More fundamentally, we have studied growth deformations in oxide layers based on the analysis of specific experiments, the mechanical testing system developed at Centre des Matériaux and the FEM simulation Code Zebulon. Regarding the structure, we have focused on the metallic spiral monolith. The study of the local elastic properties of the honeycomb has shown the importance of the exact geometry of the brazed area on the mechanical behaviour of the whole. In addition, the extremes microstructures found in the monolith, in phase and out-of phase, displayed a very different behaviour in elastic properties and behaviour under thermal cycling, the former being the best. The repartition law between those 2 phases as a function of the L/e ratio between wave length and amplitude of the corrugated foil has been determined. Observations on damaged parts have confirmed the role of this distribution.