Echangeur de chaleur obtenu par soudage-diffusion : simulation des déformées et prédiction de la tenue mécanique des interfaces.

Diffusion bonded heat exchanger : simulation of deformations and interface mechanical strentgh prediction

• Auteur / Autrice : Matthieu Maunay
• Direction : Laurent Briottet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 06/04/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Marc Bernacki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Missiaen, Isabelle Moro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Fabrègue, Bernard Viguier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échangeurs de chaleur

Compression isostatique

Mots clés libres

Compression isostatique à Chaud

Acier inoxydable 316L

Soudage-Diffusion

Loi de comportement

Fermeture des porosités

Hot Isostatic Pressing

Austenitic stainless steel 316L

Diffusion-Bonding

Constitutive equation

Void closure

Résumé

Un nouveau concept d'échangeur de chaleur compacte est développé afin d’améliorer les performances du système de conversion d'énergie pour le réacteur ASTRID. La fabrication de géométries complexes (canaux rectangulaires millimétriques) est possible grâce au procédé de soudage diffusion : des tôles rainurées en acier inoxydable 316L sont empilées en conteneur et soudées lors d'un cycle de Compaction Isostatique à Chaud (CIC). La problématique est alors d'obtenir des interfaces résistantes tout en limitant la déformation des canaux nuisible à l’efficacité de l’échangeur. Pour arriver au meilleur compromis, les travaux de cette thèse vont aider à l’optimisation des paramètres pression/temps/température du cycle de CIC.Le premier axe de travail porte sur la simulation numérique de la déformation d’un tel échangeur lors de la CIC. L’influence des paramètres numériques (taille des éléments, critère de convergence) a été étudiée afin d’optimiser la précision et la vitesse des calculs. Les simulations ont mis en évidence l’importance des défauts d’empilements de la structure (glissements et ondulations des tôles) dans l’augmentation de la déformée de l’échangeur. Puis une caractérisation mécanique poussée des tôles laminées a mené à l’identification d’une loi de comportement entre 20°C à 1040°C.Le second axe porte sur la modélisation de l'évolution des interfaces lors du soudage diffusion et la prédiction de la tenue mécanique de ces dernières, l'ensemble pouvant mener à la définition d'un critère de validité des interfaces.Une étude microstructurale et mécaniques des interfaces a permis d’établir une corrélation entre la tenue mécanique d’un joint soudé-diffusé et son taux de surface soudée. En effet, la disparition de la porosité résiduelle est le critère principal pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques à l’interface. Toutefois, le franchissement de l’interface par les joints de grains, est nécessaire pour retrouver les propriétés des tôles laminées. Un modèle analytique de fermeture des porosités (Hill et Wallach) est utilisé pour calculer le taux de surface soudée d’une interface en fonction des paramètres du cycle de CIC en modélisant la contribution des mécanismes (visco)plastique et diffusifs (en surface et au joint). Associé à la corrélation entre tenue mécanique et taux de surface soudée, il permet de proposer un outil prédictif pour la tenue mécaniques des interfaces soudé-diffusées.

A new concept of compact plate heat exchanger is developed for the energy conversion system performances of the ASTRID reactor. Manufacturing the complex geometry is possible by a diffusion-welding process: engraved 316L stainless steel plates are stacked and bonded during a Hot Isostatic Pressing cycle (HIP). The problematic is to get strong interfaces without deforming the channels which is harmful for the exchanger efficiency. To reach a good compromise, this thesis work will help to optimize the HIP parameters (pressure/temperature/ time).The first line of work is about the simulation of the heat exchanger deformation along manufacturing process. The influence of numerical parameters (elements size, convergence criterion) was studied to optimize the accuracy and the calculation time. Simulations have shown the importance of structure stack faults (sliding and plate ripples) in the increase of exchanger deformation. Then, a mechanical characterisation of plates was carried out to identify the constitutive equation between 20°C and 1040°C.The second line is about the interface modelling along welding and the prediction of their mechanical strength, as a whole can lead to the definition of an interface acceptability criterion. A microstructural and mechanical study has enabled to correlate the mechanical strength of a diffusion-bonded junction and its bonded area. Indeed, residual porosity disappearance is the main criterion to get good interfaces mechanical strength. However, the grain boundary migration is required to reach the rolled material properties. A void closure analytical model (Hill and Wallach) was used to estimate the bonded area of an interface according to HIP cycle parameters by modelling the contribution of (visco)plastic and diffusion (surface and boundary) mechanisms. Associated with the correlation between mechanical strength and the fraction of bonded area, it enables to propose a predictive tool for the mechanical strength of diffusion-bonded interfaces.