Pour bien comprendre le développement de la méthode expérimentale, il est primordial de remonter à l’idée originale qui est à la base du projet et d’étudier son évolution jusqu’à l’élaboration de la procédure finale présentée ci-haut. En fait, différentes techniques ont été essayées et abandonnées et plusieurs correctifs ont été apportés avant d’en arriver à une méthode considérée fiable.
2.3.3.1-Méthode avec ajout de granules
Cette méthode est en fait l’idée qui est à la base de ce projet. Elle consiste à fusionner une masse de granules d’aluminium pur sous une atmosphère contenant une concentration de 4% en hydrogène et 96% en argon. Une fois cet aluminium à l’équilibre, une autre masse de granule est ajoutée tout en maintenant l’étanchéité du système et elle est fusionnée. Les données sont enregistrées jusqu’à l’obtention d’un second équilibre. La différence de concentration en hydrogène entre les deux équilibres peut-être reliée à la quantité d’hydrogène qui est entrée en solution dans la masse de métal ajoutée et ainsi reliée à la solubilité. Les étapes importantes de cette méthode sont illustrées à la Figure 19.
Tout d’abord, la chambre est montée et placée dans le four comme on le voit à la Figure 19 a). Une masse initiale donnée de granule d’aluminium est ajoutée dans le creuset. Il est important de noter que cette masse initiale n’a pas été ajoutée dans les vrais tests puisqu’elle s’avérait inutile. Ensuite, le vide du système est fait pour enlever tout gaz résiduel comme illustré à la Figure 19 b). L’H2scan est alors connecté et le gaz contenant 4% d’hydrogène et 96% d’argon est entré dans la chambre par les contrôleurs de débit massique (voir la Figure 19 c)). Ensuite, l’aluminium est fusionné et porté à une température de 700°C. La concentration en hydrogène dans la chambre est ajustée au besoin. Une fois que la masse d’aluminium liquide est à l’équilibre thermodynamique, comme illustré à la Figure 19 d), on considère que la concentration en hydrogène dans la chambre à ce moment est la concentration initiale. Ensuite, on ferme l’ajout de gaz, on isole la chambre et on ajoute une seconde masse de granules d’aluminium sans briser
l’atmosphère de la chambre (voir la Figure 19 e)). Cette dernière est contenue depuis le tout début des expériences dans des tuyaux de viton qui sont connectés à deux des trois tuyaux à angle. Donc, les tuyaux sont à l’équilibre avec le reste de la chambre et lorsqu’ils sont vidés, les granules descendent jusqu’au creuset par le même orifice d’accès que l’agitateur. Une fois que ces granules sont fusionnés et à l’équilibre, comme à la Figure 19 f), on peut considérer la concentration en hydrogène dans la chambre comme la concentration finale. La différence entre les deux concentrations, après et avant l’ajout de la seconde masse de granules, est considérée comme la quantité d’hydrogène qui est entré dans l’aluminium et elle est proportionnelle à la solubilité.
Malheureusement, cette méthode ne s’est pas avérée efficace lors des tentatives d’expérimentations. En fait, la concentration en hydrogène était plus instable que prévue et des ajustements étaient souvent nécessaires et la stabilité n’était pratiquement jamais atteinte. Donc, il était impossible d’être bien certains que la descente observée était bel et bien causée par l’ajout des granules. De plus, cette étape s’est avérée beaucoup plus difficile que prévue puisque les granules d’aluminium coinçaient dans les tuyaux. L’ajout des granules froids faisait aussi descendre la température du gaz dans la chambre ce qui causait une diminution de la pression rendant les tuyaux flexibles de viton encore plus difficiles à vider. Donc, tous ces problèmes avec les tubes rendaient cette étape trop longue et incertaine.
Par contre, l’inconvénient majeur provient des granules eux-mêmes. En fait, il a été observé que ceux-ci contiennent une quantité non négligeable d’hydrogène et que lors de leur fusion, la concentration en hydrogène de la chambre augmente inévitablement causant une perturbation importante. De plus, une couche d’oxyde très épaisse empêche les granules de fusionner adéquatement puisqu’elle agit comme une poche solide dans laquelle une certaine quantité de métal liquide demeure emprisonné.
Certaines modifications ont donc été apportées pour tenter de régler ces problèmes. Premièrement, les granules sont nettoyés dans du NaOH pour
dissoudre la couche d’oxyde. Ensuite, au lieu de les accumuler dans les tuyaux de viton, un ballon de verre connecté à un petit bout de tube de viton est utilisé. Ainsi, il est plus aisé de vider les granules dans la chambre puisqu’il y a moins long de tuyaux, De plus, il est possible de mettre les ballons de verre dans un four pour permette une opération de dégazage sur les granules solides.
Malgré ces corrections, les données étaient toujours insatisfaisantes en raison de l’instabilité de la concentration en hydrogène et surtout en raison du contenu en hydrogène des granules et de leur couche d’oxyde. C’est pourquoi cette méthode a été abandonnée pour une autre.
2.3.3.2-Méthode de fusion d’une masse d’aluminium
Cette méthode est basée sur la fusion d’une masse d’aluminium équilibrée avec l’atmosphère qui l’entoure. En fait, pour ces expériences une masse donnée de morceaux de lingots d’aluminium est placée dans le creuset. Ensuite, la chambre est chauffée à une température d’environ 650°C, soit 10°C sous le point de fusion de l’aluminium pur, et la concentration en hydrogène est réajustée lorsque nécessaire. L’appareil H2Scan a été recalibré pour cette nouvelle méthode et peut maintenant mesurer des concentrations en hydrogène maximales de 20% au lieu de 5%. Ainsi, il est possible de travailler avec des concentrations plus élevées et de mesurer des écarts plus importants. Une fois que tout le contenu de la chambre est équilibré avec le gaz, la température est montée au-dessus du point de fusion jusqu’à 700°C. L’aluminium solide ne contient presque pas d’hydrogène dissous. Ainsi, la variation de la concentration en hydrogène dans la chambre entre l’instant avant la fonte et celui de l’atteinte de la température cible correspond à la quantité d’hydrogène qui est entré en solution dans l’aluminium liquide lors du changement de phase et est proportionnel à la solubilité.
Malheureusement, cette méthode aussi s’est avérée trop inexacte. En fait, la concentration en hydrogène est très instable et la montée en température cause une très grande perturbation dans la chambre. Lorsque la température est augmentée, la pression totale augmente elle aussi et une importante montée de la concentration en hydrogène est observée dans la chambre. Il est difficile de
déterminer l’origine de cette augmentation. Il est possible que ce soit les lingots qui contiennent eux aussi une quantité d’hydrogène qui se libère lors de la fusion. De plus, il est possible que l’augmentation de la température entraine une perturbation importante de la chambre et que de l’hydrogène se libère des parois en raison de cela. Ainsi, cette méthode aussi a elle aussi été abandonnée.
2.3.3.3-Méthode de bullage d’un mélange H2-N2 dans l’aluminium
Suite à ces deux échecs, des modifications majeures ont été apportées pour en arriver à la méthode présentée aux sections 2.3.1 et 2.3.2. D’abord, un bulleur a été ajouté au montage. Il est alors possible de dégazer l’aluminium et de créer un contact rapide et direct entre le gaz et le métal. De plus, la manière de procéder aux expériences a été revue pour tenir compte du nouvel appareil de bullage. Ensuite, le fait de faire les expérimentations avec l’aluminium déjà liquide ne permet pas de stabiliser l’atmosphère de la chambre de mesure avant les expériences puisqu’il faut limiter au maximum la dissolution de l’hydrogène dans le métal. Cette amélioration s’est avérée bénéfique puisque la brusque montée de gaz observée lors des autres expériences ne se produit plus.
Finalement, des tests préliminaires ont été faits avec cette méthode et les résultats, bien qu’intéressants n’étaient pas reproductibles et certains phénomènes difficilement explicables se produisaient. Il a alors été convenu qu’une fuite de gaz était probablement la source des perturbations observées. Ainsi, les couteaux des brides qui étaient endommagés ont été réusinés et des joints toriques de viton ont été utilisés au lieu de ceux en cuivre puisque ces derniers sont plus difficiles d’utilisation et ne sont pas conçu pour un système qui doit être manipulé souvent. De plus, l’étanchéité de tous les branchements et appareils a été vérifiée et les correctifs nécessaires ont été apportés. Suite à ces améliorations, il est évident que l’étanchéité de la chambre doit être parfaite et la procédure de vérification par surpression à 800 torr a été instaurée pour s’assurer que c’est toujours le cas.
C’est donc suite à toutes ces difficultés que la procédure expérimentale décrite a été développée pour tenir compte des forces du montage tout en minimisant ses faiblesses.
Figure 19 : Illustrations des différentes étapes des expériences pour l’idée originale : a) État initial de la chambre ; b) Ajout de la première masse de granules et vide ; c) Entrée du gaz ; d) Fusion, branchement de l’H2scan et atteinte du premier équilibre ; e) Ajout de la deuxième
masse de granules ; f) Fusion et deuxième équilibre
a) b)
c) d)
2.3.3.3-Méthode proposée par ajout d’un volume d’H2 pur au N2 et Al
Suites à certains tests infructueux avec la méthode décrite dans ce travail, les travaux ont été continués en débutant par une nouvelle analyse complète de l’étanchéité de la chambre. Une fuite non détectable par les méthodes utilisées auparavant a été détectée dans le joint reliant l’H2scan au reste du système.
Celle-ci a été réparée et certains autres tests ont été effectués. Aucuns résultats exploitables n’ont été récoltés lors de ces essais faits dans un environnement beaucoup plus étanche qu’auparavant. Par contre, une diminution de la concentration en hydrogène a pu être observée et la manière dont elle se produit amène une observation très intéressante. En fait, il a été remarqué que, comme décrit par Talbot [1], l’hydrogène semble entrer très rapidement en solution dans l’aluminium. Cette observation de même que certaines autres ont alors mené à quelques modifications majeures du montage et de la méthode de mesure.
Le principal changement réside en l’ajout d’un cylindre d’un volume connu de 50cm3 qui peut être rempli d’hydrogène. De plus, une nouvelle entrée de gaz reliée à des cylindres contenant un mélange calibré d’H2 et de N2 a été ajoutée
dans le but d’accroitre la précision. Ensuite, le système de valves a été amélioré pour permettre une plus grande flexibilité des tests qui peuvent être effectués puisque les différents outils du montage peuvent être plus facilement isolés s’ils sont inutilisés. Le système de mesure a aussi été déplacé pour améliorer la précision et la flexibilité. Suite à ces changements, la petite pompe de recirculation a été retirée du montage puisque sa tâche peut maintenant être remplie par la pompe de bullage dont le modèle a été changé. Toutes ces améliorations sont montrées à la Figure 20 qui peut être comparée à la Figure 17 qui représente le montage avant les améliorations décrites ci-haut.
La méthodologie proposée pour effectuer les tests avec les nouveaux changements est similaire à l’ancienne mais avec quelques ajustements et ajouts. Tout d’abord, l’étanchéité du système à l’hydrogène doit être vérifiée avant chaque test dans le but de s’assurer que celui-ci sera effectué dans des conditions optimales. Pour ce faire, un mélange d’azote et d’hydrogène doit être entré dans la
chambre chauffée sous le point de fusion de l’aluminium. Ensuite, l’évolution de la concentration en hydrogène doit être observée durant un certain moment pour valider sa stabilité. Suite à cette vérification, le vide est fait dans le système pour s’assurer que tout l’hydrogène entré dans la chambre ne s’y trouve plus. Comme lors des derniers tests, l’aluminium est fusionné et dégazé avec le bulleur sous une atmosphère d’azote. Le changement majeur à la procédure réside en la manière de mettre en contact la masse d’aluminium avec l’hydrogène. Pour ce faire, le cylindre de 50 cm3 préalablement rempli d’hydrogène pur est utilisé au lieu des contrôleurs de débits massiques. Lorsque le système est stable sous azote, les valves le séparant du cylindre sont ouvertes et la pompe de bullage est démarrée. Ainsi, l’aluminium est mis très rapidement en contact avec l’hydrogène. Avec l’ancien système, il était nécessaire d’attendre l’entrée de l’hydrogène et la stabilisation de la concentration ainsi le gaz avait le temps d’entrer dans l’aluminium sans que ce soit détecté. Ce phénomène prend d’autant plus d’importance étant donné que l’entrée en solution du gaz semble très rapide. Ainsi, l’ajout rapide d’une quantité connue de gaz pur vient régler ce problème. Pour bien connaître l’effet de l’ajout du gaz sur le système, des tests sans aluminium liquide doivent être faits pour bien comprendre les variations de concentration en hydrogène, de pression et de température causées par cet ajout. Ainsi, il sera possible d’isoler l’effet de la dissolution de l’hydrogène dans l’aluminium liquide lors des tests valables. De plus, la variation de volume induite au système est connue, alors son effet sur la pression totale est prévisible.
Donc, ces améliorations apportées au montage et à la méthode permettront de mieux contrôler le déroulement des expériences et augmenteront grandement les chances d’obtenir une valeur numérique de la solubilité de l’hydrogène dans l’aluminium liquide.
Four Isolant N2 P Manomètre à vide H2scan Pompe à vide AlScan Pompe de bullage/recirculation Thermocouple Moteur de l’agitateur Bulleur Thermocouple Sonde AlScan Agitateur Tuyau de recirculation Al liquide Contrôleurs de débits massiques H2 Cylindre calibré H2+N2 Cylindre 50cc H2 pur P Manomètre
Figure 20 : Montage expérimental complet après amélioration