Soutenance Maha El Nahas

Cette thèse étudie l’utilisation du dioxyde de carbone supercritique (sCO2) comme assistance au refroidissement pour le perçage du Ti-6Al-4V. Cet alliage, largement utilisé en aéronautique, reste difficile à usiner en raison de sa faible conductivité thermique et de sa résistance mécanique élevée. En perçage, la zone de coupe est confinée, l’évacuation des copeaux est limitée et l’accès au refroidissement est restreint. La capacité de refroidissement du jet dépend donc non seulement de la chaleur générée pendant le perçage, mais aussi de l’état en sortie, du débit massique, de la densité, de la taille du jet, de la position des canaux de lubrification, de la distance jet-surface et de l’interaction locale avec la surface chauffée.
  
Ce travail vise à identifier les paramètres physiques qui gouvernent la structure et la capacité de refroidissement des jets de sCO2 dans des conditions proches du perçage. L’étude combine calculs thermodynamiques en gaz réel, visualisations Schlieren, thermographie infrarouge et analyse inverse du transfert thermique. Des jets libres sont d’abord étudiés avec un capillaire court, pour lequel les pertes de charge sont négligeables et l’état en sortie est proche de l’état amont imposé. Le jet se développe comme un écoulement fortement sous-détendu, avec éventail de détente, choc en tonneau, disque de Mach, chocs réfléchis, couche de cisaillement, cœur potentiel et région turbulente. Les résultats montrent que le débit massique et la densité du CO2 contrôlent la taille du jet, les dimensions des cellules de choc et l’extension spatiale de l’écoulement.
  
Le jet est ensuite étudié en configuration d’impact sur une plaque mince de titane chauffée. Les visualisations Schlieren montrent que la distance jet-surface modifie l’interaction entre la plaque et la structure interne de chocs. Selon cette distance, la surface peut interagir avec le jet turbulent développé, le cœur potentiel, la région du disque de Mach ou une structure contrainte de type disque de plaque. La thermographie infrarouge permet de mesurer le champ de température transitoire et d’identifier le coefficient local de transfert thermique. Le flux extrait est interprété à partir du HTC local et de la force motrice thermique, montrant que le refroidissement ne peut pas être évalué à partir du seul HTC.
  
Enfin, des configurations proches du perçage sont étudiées en remplaçant le capillaire court par de longs capillaires en acier inoxydable représentatifs de canaux internes de lubrification, et en utilisant une cible cylindrique confinée en Ti-6Al-4V. Dans ce cas, les pertes de charge par frottement modifient la pression, la température, la densité, la vitesse, le débit massique et l’état de phase avant expansion. Un modèle unidimensionnel d’écoulement compressible en gaz réel est développé pour calculer l’évolution de l’écoulement dans le capillaire et déterminer l’état effectif en sortie alimentant le jet.
  
Dans l’ensemble, cette thèse montre que le perçage assisté par sCO2 ne peut pas être optimisé uniquement par le choix de la pression et de la température amont. La performance de refroidissement résulte du couplage entre génération thermique du perçage, pertes de charge dans les capillaires, état en sortie, débit massique, densité, morphologie du jet sous-détendu, évolution de phase, distance jet-surface et transfert thermique local. Ce travail fournit des données expérimentales et une méthodologie prédictive pour concevoir de futurs systèmes d’alimentation en sCO2 dédiés à l’assistance au perçage.