Heat transfer modeling for the quench hardening of aeronautical steel

Résumé

La trempe est une étape essentielle de la fabrication des caissons principaux des trains d'atterrissage d'aéronefs. Ce procédé confère aux caissons les propriétés mécaniques nécessaires pour résister aux charges élevées et aux environnements corrosifs. Malheureusement, la trempe engendre des effets non désirés, notamment la déformation induite par la trempe, susceptibles d'affecter la productivité des fabricants. Le contrôle et la prédiction de cette déformation constituent un domaine d'application important en ingénierie. Notamment, les outils numériques capables de traiter les interactions complexes entre les différents domaines thermique, métallurgique et mécanique lors de la trempe reposent encore sur la définition des conditions frontières thermiques. Il est donc essentiel de caractériser et de modéliser avec précision les conditions frontières thermiques du procédé considéré, c’est-à-dire celles des installations industrielles dédiées où les grands caissons principaux de trains d'atterrissage sont traités. Les conditions rencontrées dans les environnements industriels, très différentes des environnements de laboratoire hautement contrôlés, augmentent la difficulté de caractériser et de modéliser avec précision les conditions frontières thermiques. La configuration des fours à fosse exige que la charge traitée thermiquement soit extraite puis transférée par air vers le bain de trempe, ce qui modifie les conditions initiales avant l'immersion. De plus, un refroidissement hétérogène peut être causé par l'outillage de traitement thermique, une mauvaise circulation du fluide, ou par les conditions locales dans l'espace de travail du bain de trempe. Ces différences ont conduit de nombreux chercheurs à s'interroger sur l'applicabilité des essais normalisés en laboratoire dans les conditions réelles des pièces industrielles. Par conséquent, ce projet utilise des sondes de trempe dans les conditions industrielles, de type plaque et cylindre, afin de caractériser le processus de trempe du partenaire industriel. Les travaux expérimentaux ont permis d'explorer l'hétérogénéité de procédé, l'influence de l'orientation de la sonde, de sa position dans l'outillage. Ainsi que l'influence de la sonde de trempe, de sa géométrie et de ses dimensions, a été analysée en comparant les données obtenues avec différentes sondes. Les conditions frontières thermiques sont estimées en résolvant le problème inverse de transfert de chaleur pour les deux étapes: le transfert aérien du four au bain de trempe et l’immersion. La stratégie adoptée consiste en reconstruire la température sur la surface, et ensuite à déterminer les flux de chaleur transitoires par simulation directe en utilisant l’évolution de la température identifiée comme condition frontière. Les méthodes produisent des résultats précis, avec une erreur relative inférieure à 5% par rapport aux courbes de refroidissement acquises expérimentalement. La base de données développée, qui prend en compte les mêmes facteurs que les travaux expérimentaux décrits précédemment, représente une source unique de coefficients représentatifs d'un procédé industriel réel, actuellement non disponible dans la littérature. À partir de ces résultats, des modèles mathématiques des conditions frontières thermiques sont proposés pour les deux étapes (le transfert aérien et l’immersion), prenant en compte l'influence de la taille de la sonde de trempe. Ces modèles sont basés sur des points caractéristiques qui définissent l'évolution des différents régimes de refroidissement. Lors de l'immersion, les points caractéristiques sont liés aux phénomènes physiques associés à la transition entre les régimes d'ébullition (chambre de vapeur, ébullition transitoire et ébullition nucléée). Par conséquent, chaque régime de refroidissement d'une courbe d'ébullition typique est modélisé séparément. La validation des modèles mathématiques par un test indépendant a donné une erreur relative inférieure à 8%, une augmentation par rapport aux résultats de la solution inverse, mais acceptable dans les conditions de l'étude, et même comparable aux résultats de problèmes inverses disponibles dans la littérature.

Date	24 avr. 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Henri Champliaud (Directeur(-trice)), Mohammad Jahazi (Codirecteur(-trice)) & Antoine Tahan (Codirecteur(-trice))