Les métaux réfractaires sont une classe de métaux extraordinairement résistants à la chaleur et à l’usure. Les métaux réfractaires les plus courants sont le tungstène, le molybdène, le tantale, le niobium et le rhénium. Ces métaux se caractérisent par leur point de fusion extrêmement élevé, qui est nettement supérieur à celui de la plupart des autres métaux
Les thermocouples en métal réfractaire sont conçus pour être utilisés dans des environnements à très haute température où d’autres types de thermocouples seraient défaillants. Les types les plus courants de thermocouples en métal réfractaire sont fabriqués à partir de combinaisons de tungstène et de rhénium. Ces thermocouples peuvent être utilisés à des températures extrêmes, ce qui les rend idéaux pour les applications dans les fours à haute température, les réacteurs nucléaires et l’industrie aérospatiale.
Sur cette page, nous vous expliquons d’abord les métaux réfractaires, puis les thermocouples en métaux réfractaires.
Qu’est-ce qu’un métal réfractaire ?
Les métaux réfractaires les plus couramment reconnus sont les suivants :
- Tungstène (W) : a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux à 3,422°C (6,192°F), ce qui le rend idéal pour les applications à haute température telles que l’éclairage, l’électricité et les éléments de chauffage.
- Molybdène (Mo) : connu pour sa résistance et sa stabilité à haute température, ainsi que pour son point de fusion élevé de 2,623°C (4 753°F), le molybdène est utilisé dans l’aérospatiale, l’électronique et les applications industrielles.
- Tantale(Ta) : avec un point de fusion de 3,017°C (5 463°F), le tantale est très résistant à la corrosion et est utilisé dans l’électronique, le traitement chimique et les environnements à haute température.
- Niobium (Nb) : a un point de fusion de 2 468°C (4 474°F) et est utilisé dans les superalliages pour les moteurs à réaction et les fusées, ainsi que dans la fabrication de matériaux supraconducteurs.
- Rhénium (Re) : l’un des éléments les plus rares de la croûte terrestre, avec un point de fusion de 3 180°C, le rhénium est utilisé dans les moteurs à turbine à haute température et comme additif pour améliorer les propriétés d’autres métaux réfractaires.
Pourquoi utiliser des métaux réfractaires dans les thermocouples ?
- Résistance aux températures élevées : la principale caractéristique des métaux réfractaires est leur capacité à conserver leur résistance et leur stabilité à des températures auxquelles la plupart des autres métaux fondraient ou se dégraderaient de manière significative.
- Résistance à la corrosion : de nombreux métaux réfractaires présentent une excellente résistance à la corrosion, ce qui les rend adaptés aux environnements de traitement chimique.
- Densité élevée : la plupart des métaux réfractaires ont une densité élevée, ce qui contribue à leur durabilité et à leur résistance à l’usure.
- Points de fusion élevés : la caractéristique principale des métaux réfractaires est leur point de fusion exceptionnellement élevé, qui les rend indispensables dans des industries telles que l’aérospatiale, la défense et l’énergie nucléaire.
En résumé, les métaux réfractaires sont indispensables dans les applications qui exigent des matériaux capables de résister à des conditions extrêmes. Leurs propriétés uniques permettent de faire progresser la technologie et l’industrie, en particulier dans les domaines soumis aux températures les plus élevées et aux environnements les plus difficiles.
Types de thermocouples en métal réfractaire
- Type C: combinaison de tungstène 5% rhénium (W-5% Re) et de tungstène 26% rhénium (W-26% Re). Ce type est connu pour sa capacité à fonctionner à des températures élevées allant jusqu’à 2 300°C (4 172°F) dans des environnements inertes ou sous vide.
- Type D: une autre combinaison de tungstène et de rhénium, avec des proportions différentes de celles du type C, offrant des plages de température et des caractéristiques de stabilité légèrement différentes.
Caractéristiques des thermocouples en métal réfractaire
- Capacité à supporter des températures élevées : les thermocouples en métal réfractaire peuvent mesurer des températures beaucoup plus élevées que les thermocouples en métal noble (par exemple, les thermocouples de type S à base de platine).
- Utilisation en atmosphère inerte ou sous vide : il est préférable de les utiliser en atmosphère inerte ou sous vide, car les métaux réfractaires peuvent s’oxyder ou réagir avec certaines atmosphères à des températures élevées, ce qui entraîne une dégradation.
- Durabilité : ces thermocouples conservent leur intégrité structurelle et leur précision de mesure à des températures élevées, ce qui les rend adaptés aux conditions difficiles.
- Stabilité : ils fournissent des mesures de température stables dans des conditions extrêmes, ce qui les rend fiables pour les applications critiques dans des environnements difficiles.
Applications
Ils sont couramment utilisés dans les industries qui fonctionnent à des températures élevées, telles que :
- Aérospatiale : pour surveiller la température des moteurs de fusée et d’autres composants de propulsion pendant les essais et le fonctionnement.
- Industrie nucléaire : dans les systèmes de contrôle et de sécurité des réacteurs où les températures sont élevées.
- Science des matériaux : pour l’étude des matériaux à haute température, y compris les processus de frittage, la fusion et le traitement thermique.
- Procédés industriels : dans les fours, les étuves et autres procédés industriels à haute température où un contrôle précis de la température est essentiel.
Limites des thermocouples en métal réfractaire
Malgré leur capacité à supporter des températures élevées, les thermocouples en métal réfractaire ont des limites, notamment :
- Sensibilité à l’oxydation : en l’absence d’atmosphères protectrices appropriées, ils peuvent se dégrader rapidement dans des environnements oxydants.
- Processus de fabrication plutôt difficile : le soin précis nécessaire à la jonction pour éviter les dommages, l’exigence d’outils de coupe spéciaux pour la précision et les normes de propreté strictes font du processus de fabrication des fils de thermocouple de type C un véritable défi. Pour en savoir plus sur ce sujet, consultez cette page.
- Fragilité : à basse température, les métaux réfractaires peuvent être fragiles et difficiles à manipuler, ce qui nécessite une installation et un entretien minutieux.
En résumé, les thermocouples en métal réfractaire sont des outils essentiels pour la mesure de la température dans des conditions extrêmes, choisis pour leur capacité inégalée à résister à des températures élevées tout en conservant précision et stabilité. Leur utilisation dans des industries spécifiques souligne l’importance de ces dispositifs pour faire progresser les capacités technologiques et comprendre les matériaux dans des conditions extrêmes.
Qu’en est-il du platine ?
Bien que le platine soit un métal ayant un point de fusion élevé (1,768°C ou 3 214°F) et une excellente résistance à la corrosion, il est généralement classé à part du groupe traditionnel des métaux réfractaires. Le platine est souvent considéré comme un métal « noble » ou « précieux » en raison de sa rareté, de son inertie chimique et de son utilisation étendue dans la bijouterie, la catalyse et les applications électriques.
La distinction provient des critères spécifiques utilisés pour définir les métaux réfractaires, principalement leur point de fusion qui est généralement supérieur à 2 000°C. Si le platine possède des propriétés remarquables qui le destinent à des applications à haute température, son point de fusion est inférieur au seuil couramment utilisé pour classer les métaux comme réfractaires.
Néanmoins, le platine et ses alliages sont essentiels dans de nombreuses applications industrielles nécessitant une résistance aux températures élevées et une stabilité chimique. C’est donc un bon métal et un bon alliage à utiliser dans les thermocouples à haute température.
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