Comment la vitesse de refroidissement pendant l'extrusion du PFA modifie-t-elle la répartition des contraintes résiduelles dans les gaines chauffantes ?

Le PFA extrudé sur un noyau métallique quitte la filière à 350 -400 degrés et est refroidi à température ambiante. La vitesse de refroidissement dicte la manière dont les chaînes de polymère gèlent sur place, ce qui contrôle directement la répartition des contraintes résiduelles à travers la gaine chauffante finale. La vitesse de refroidissement rapide (5 à 10 °C/min) empêche la relaxation des chaînes et entraîne une faible contrainte résiduelle (1 à 3 MPa) uniformément répartie dans l'épaisseur de la paroi. Un refroidissement rapide (50 à 100 degrés/min, par exemple trempe à l'eau) fixe les chaînes dans un état orienté et entraîne une tension résiduelle considérable (5 à 10 MPa) concentrée sur les surfaces intérieures et extérieures. Le refroidissement rapide entraîne une contrainte de traction de 6 à 8 MPa sur la surface interne (interface PFA-métal) et une contrainte de compression de 4 à 6 MPa sur la surface externe pour une gaine PFA d'une épaisseur de 2 mm. Cette répartition des contraintes accélère la fissuration sous contrainte environnementale et favorise le délaminage lors des cycles thermiques. Les appareils de chauffage très fiables nécessitent un refroidissement lent.

Mécanismes de vitesse de refroidissement et de formation de contraintes
Au fur et à mesure que le PFA extrudé refroidit, la surface extérieure se solidifie d'abord car elle est en contact avec l'air ou l'eau plus froide. Le noyau chauffé provoque un refroidissement plus lent de l'intérieur (vers le centre métallique), de sorte qu'il reste fondu plus longtemps. Cette solidification différentielle se traduit par un gradient de température à travers la paroi. Au fur et à mesure que la peau extérieure durcit et se contracte, elle entraîne l'intérieur encore fondu vers l'extérieur, tendant l'extérieur et comprimant l'intérieur. Finalement, la couche interne se solidifie et se rétrécit, reculant et inversant les conditions de contrainte. La contrainte résiduelle finale dépend de la vitesse de refroidissement et de la limitation du noyau métallique.

Pour une gaine rapidement trempée (bain-marie à 20 degrés, vitesse de refroidissement 80 degrés/min), la peau extérieure se solidifie en 2-3 secondes. La couche interne refroidit en dessous de 200 degrés en 30 à 60 secondes. La couche extérieure gèle sous tension (3-5 MPa), tandis que la couche intérieure gèle sous tension (5-8 MPa) à partir de la couche externe en contraction. Le résultat était une surface intérieure en tension (mauvaise) et une surface extérieure en tension (moins terrible). La contrainte à la surface intérieure favorise l'amorçage de fissures au contact du PFA et du métal.

Pour une gaine refroidie progressivement (refroidissement à l'air-dans un four à température contrôlée, 8 degrés/min), le gradient de température sur la paroi est faible. Le mur se solidifie presque d’un seul coup. La contrainte résiduelle est minime (1 à 2 MPa) et principalement compressive au niveau de la surface interne (excellente, car la compression ferme les microfissures).

Taux de trempe et contrainte résiduelle
Vitesse de refroidissement (degrés/min) Technique de refroidissement Contrainte de la surface intérieure (MPa) Contrainte de la surface extérieure (MPa) Type de contrainte d'interface Risque de délaminage
refroidissement du four, progressivement (recuit)5–10 −1 à −2 (compression) −1 à −2 (compression)Compression (bonne) Très faible
Air frais (température ambiante, air immobile) 15–25 +1 à +3 (traction) 0 à +1 (traction) Légère traction Faible Air forcé (ventilateur) 30–50 +3 à +5 +1 à +3 Traction modérée Modéré
Trempe à l'eau (à froid) 60-100 +6 à +10 +3 à +6 Haute résistance Haute résistance
Trempe à l'eau glacée 100–150 +10 à +15 +5 à +10 Résistance à la traction très élevéeExtrêmement élevée
Remarque : (+) les valeurs positives indiquent une contrainte de traction ; (−) négatif implique des contraintes de compression.

Influence des contraintes résiduelles sur les performances du chauffage
Un refroidissement rapide entraîne des contraintes de traction résiduelles élevées au niveau de l'interface métallique PFA-, ce qui a trois effets néfastes :

Fissuration accélérée sous contrainte environnementale Avec des produits chimiques puissants (acides, solvants chlorés), le contact stressé se fracture à des contraintes appliquées plus faibles. Si le radiateur avec une contrainte résiduelle de 8 MPa peut se briser dans 30 % de HCl à 90 degrés en 500 heures, le même radiateur avec une contrainte résiduelle de 2 MPa dure 5 000 heures.

Durée de vie du cycle thermique réduite : chaque cycle de chauffage/refroidissement ajoute des contraintes de dilatation thermique aux contraintes résiduelles. Si la somme est supérieure à la limite d'élasticité du PFA (12-15 MPa), l'interface cède. Chauffage refroidi rapidement (8 MPa résiduels) + contrainte thermique (5 MPa)=13MPa ~ rendement. 7 MPa est sûr avec un chauffage refroidi lentement (2 MPa résiduels) + contrainte thermique (5 MPa).

Délaminage prématuré : le PFA se sépare du noyau métallique en raison des contraintes de traction, formant des micro-espaces. L'humidité s'infiltre dans les crevasses, puis le chauffage transforme l'humidité en vapeur, brûlant la gaine.

Détection et désignation
Residual stress can be determined by cutting a ring from the PFA sheath, making an axial slice, and measuring the resulting curvature (radius of curvature method). Fast cooled tubes curve into a tight circle (radius 20–50 mm), slow cooled tubes stay almost straight (radius >200 mm).

Préciser dans l'approvisionnement. La gaine PFA doit être refroidie lentement après l'extrusion avec une vitesse de refroidissement ne dépassant pas 15 degrés/min de la fusion à 100 degrés. Demander une mesure de contrainte résiduelle selon la norme ASTM D6991 (méthode du tube fendu) avec critère d'acceptation : rayon de courbure supérieur ou égal à 150 mm pour un anneau de 100 mm de long.

Conclusion : Un refroidissement lent réduit les contraintes résiduelles de 70 à 80 %.
La vitesse de refroidissement de l'extrusion PFA détermine directement la répartition des contraintes résiduelles dans les gaines chauffantes. Le refroidissement rapide (trempe à l'eau) induit une contrainte de traction élevée (6 à 10 MPa) à l'interface métallique PFA -, entraînant une fissuration sous contrainte, une réduction de la durée de vie du cycle thermique et un délaminage. Un refroidissement lent (air ou four, 5 à 15 degrés/min) réduit la contrainte résiduelle à 1 à 3 MPa (compression ou faible traction) et augmente la durée de vie du radiateur de 3 à 5 fois en cas d'utilisation agressive. Pour tout appareil de chauffage utilisé pour des cycles thermiques ou des conditions corrosives, spécifiez un refroidissement lent et confirmez avec des tests de contrainte résiduelle. Le temps de traitement est plus long (heures contre minutes) et augmente le coût de production de 10 à 20 %, mais est compensé par une durée de vie plus longue. Un radiateur refroidi rapidement est une recette pour un désastre. Ralentissez, refroidissez, réduisez le stress, restez chaud. C'est la loi de l'extrusion.