Les conditions thermodynamiques et cinétiques dans les moteurs cryogéniques sont sévères, en particulier pour la mince paroi interne de la chambre de combustion. Bien que peu résistant mécaniquement, un alliage de cuivre est utilisé pour maximiser les transferts thermiques à travers cette paroi et ainsi améliorer l’efficacité du moteur. Cependant, les fluctuations de concentration et de pression des propergols (tels que l’oxygène ou l’hydrogène liquide) à la surface de la paroi favorisent l’endommagement de l’alliage, en particulier si la paroi n’est pas en permanence couverte d’une pellicule d’hydrogène (barrière contre l’oxydation). Ce phénomène est connu sous le nom de « blanching », qui est la succession de courts cycles d’oxydation et de réduction dues à l’exposition de la paroi de la chambre de combustion aux atmosphères oxydants et réducteurs. Le blanching mène à la diminution de l’épaisseur de la paroi de la chambre, pouvant même conduire à la rupture de la paroi.Les alliages de cuivre peuvent, en fonction de leur composition, apporter une protection à l’oxydation et à la réduction. Comme le cuivre est indispensable grâce à sa conductivité thermique élevée, des éléments d’addition sont souvent ajoutés à l’alliage pour augmenter ses résistances mécaniques et chimiques. Cette étude met en avant les différences de comportement aux cycles d’oxydoréduction de trois matériaux (Cuivre OFHC, et deux alliages Cuivre-Chrome) à des hautes températures. Elle permet de cibler l’endommagement thermochimique qui se produit dans les « vraies » chambres de combustion.Les essais réalisés consistent en l’oxydation et la réduction d’échantillons pendant 40 cycles successifs dans des atmosphères contrôlées à 600, 750 ou 900°C. L’oxydation est obtenue par l’air artificiel (O2+N2) et la réduction est obtenue par l’introduction de monoxyde de carbone. Les différences obtenues entre les échantillons des différents essais peuvent être due à la croissance d’oxydes secondaires, qui ne sont pas réduits pendant la phase de réduction, alors que le cuivre et ses oxydes simples le sont. Les couches d’oxydes doivent être identifies, car leur exploitation pourrait renseigner sur le comportement à l’oxydoréduction des matériaux pendant le blanching. Les analyses RAMAN et MEB confirment bien la présence d’oxydes secondaires sous la couche principale d’oxyde de cuivre, montrant que ce type d’endommagement est probablement lié à la composition des matériaux et de leur comportement à haute température. / Conditions in combustion chambers of liquid rocket engines are severe, especially for the inner liner of the chamber wall. The copper alloys used in the thin inner liner of the chamber wall ensure an efficient cooling. However, concentration fluctuations of the propellants such as H2 and O2 on the surface of the inner liner of the chamber wall can lead to a damage of the alloys, especially if the wall is not permanently protected by H2. This phenomenon is known as Blanching, which is a quick redox cyclic, leading to a physical-chemical reduction of the width of the wall, even up to fracture. Copper alloys can - depending on their composition - provide a protection to oxidation and reduction. As copper is mandatory because of its high thermal conductivity, some addition elements are usually used in order to optimize the mechanical and chemical resistance of the alloy. This study shows the differences of the behavior between three copper alloys (OFHC copper and two Copper-Chromium alloys) under oxidation-reduction cycles at 750°C. The experimental investigations aim at assessing blanching in the range of real liquid rocket engines combustion chambers conditions.The performed tests consisted in oxidizing and reducing of samples 40 cycles under controlled atmospheres at 600°C, 750°C or 900°C. Oxidation is obtained by industrial quality air (O2+N2), and reduction by CO as low safety risk replacements for the O2+H2 atmosphere in the engine. The differences between the different conditions may be caused by the growth of secondary copper oxides, which are not reduced during the reduction phases.Oxide layers have to be identified, as their exploitation may lead to a principal understanding of the behavior of the chamber wall material during blanching, and may help to determine oxidation and reduction law parameters. RAMAN and SEM analyses confirm the presence of secondary copper oxide layers below the reduced copper on the surface of the sample.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2014ECAP0059 |
| Date | 05 December 2014 |
| Creators | Duval, Hugo |
| Contributors | Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, Inglebert, Geneviève |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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