Soutenance mémoire
La fabrication de pièces présentant une très grande homogénéité de propriétés mécaniques est l’un des grands défis actuels pour le marché du transport et de l’énergie. Citons l’exemple des cuves de grands composants nucléaires où les macro/mésoségrégations des espèces chimiques ont une influence importante sur leur résistance à la rupture. Pour ce type d’applications, une grande homogénéité en composition chimique moyenne est exigée ( pour la nuance 16MND5 de teneur nominale de 0.16 %pds, une teneur maximale en carbone en tout point inférieure à 0.23% pds[1]). De même dans le domaine automobile, pour les moules pour injection plastique (tableaux de bords, pare-chocs. . . ), des propriétés homogènes dans toute l’épaisseur (≈ 1m) sont nécessaires ainsi qu’une structure à grains fins, améliorant l’usinabilité. Un autre exemple est l’éolien offshore. En effet, certaines pièces de grandes dimensions utilisées dans des éléments critiques ou pièces de structures des éoliennes : roulements et couronnes, couronnes d’angle de pales, pignons, arbres, brides … ont un cahier des charges sévère. Des traitements thermiques particuliers ne peuvent être appliqués que sur une surface de composition homogène. Toutes ces applications , et bien d’autres, demandent ainsi une homogénéité des propriétés. Une étape clé, pour l’assurer en sidérurgie, réside dans la maîtrise du procédé de solidification des lingots. Malgré les progrès réalisés dans les procédés d’élaboration des alliages métalliques, des ségrégations chimiques dans les lingots sont encore observées actuellement. D’où l’importance de modéliser les différents phénomènes physiques et chimiques à leur origine et de proposer des outils numériques permettant de simuler les évolutions métallurgiques sur une échelle industrielle pour aider les industriels à améliorer leurs procédés de fabrication.
Mécanismes physiques
Dans un lingot, la composition en éléments chimiques n’est pas uniforme et, ce, à différentes échelles. Ceci peut affecter les propriétés mécaniques du produit final fabriqué à partir de ce lingot. On distingue différents types de ségrégations chimiques selon leur échelle d’observation. A l’échelle microscopique, il existe une différence de composition entre le solide formé et le liquide résiduel correspondant à la microségrégation. Suite à des mouvements de sédimentation et de convection, des ségrégations à l’échelle du produit se développent également, qualifiées de macroségrégation. Une relation étroite entre les structures de solidification et ces ségrégations chimiques a été constatée . De plus, une transition entre les différents types de structures de solidification est habituellement observée. L’objectif principal de ce travail de doctorat est de pouvoir simuler le processus de solidification en lingotière en déterminant la position de cette transition entre structures.
Origine des ségrégations chimiques
La microségrégation se développe à l’échelle de l’interface solide-liquide. En effet, en solidifiant, l’alliage rejette/incorpore du soluté dans/depuis le bain liquide. Cela induit un saut de concentration entre le solide et le liquide. Ainsi, le liquide à l’interface se trouve à une concentration d’équilibre thermodynamique déterminée par le diagramme de phase égale à w l(s/l) , alors que le solide se trouve à une autre concentration, w s(s/l) .
Deux approximations courantes décrivant la microségrégation existent : le modèle des bras de levier et le modèle de Gulliver-Scheil. Dans le modèle des bras de levier, la diffusion est considérée comme infinie dans les deux phases solide et liquide. Par la suite, les concentrations d’équilibre sont données par le diagramme de phase à l’interface solide-liquide et sont homogènes dans leurs phases respectives. Le solide se forme avec une concentration faible mais avec l’enrichissement du liquide, la concentration finale du solide se trouve uniforme et égale à la composition nominale w0.
A des échelles spatiales supérieures, d’autres processus de ségrégations sont observés. D’une part on retrouve les macroségrégations. En effet, un cône de ségrégation négative est habituellement observé au niveau de la partie inférieure du lingot alors qu’une concentration supérieure à la concentration nominale est constatée au niveau de la partie supérieure du lingot . Une correspondance entre la morphologie des grains et la ségrégation négative est remarquée. Il est admis que cette ségrégation négative est due à la sédimentation des cristaux solides pauvres en soluté [5]. Le liquide riche en soluté, moins dense et plus chaud est déplacé vers le haut aggravant la sédimentation négative en bas du lingot et causant la ségrégation positive en partie supérieure. L’origine de ce processus de ségrégation est la convection thermo-solutale ainsi que le déplacement des grains.
D’autre part, les mésoségrégations se trouvent à une échelle intermédiaire entre l’échelle microscopique et l’échelle macroscopique. Plusieurs types de mésoségrégations de différentes morphologies sont présentes. on retrouve une morphologie en A, appelée aussi veines sombres, constituée des canaux ségrégés dont la composition rejoint celle de l’eutectique [6]. D’autres mésoségrégations en V sont aussi identifiables dont la source est la rupture du tissu dendritique équiaxe par le poids métallostatique du solide inférieur. Ce phénomène est accentué par le retrait de solidification [3].
Structures de solidification : morphologie, origine et croissance
Structures colonnaires
Dans les alliages métalliques, à petite vitesse de solidification, une morphologie cellulaire, sans branchement, peut apparaitre. Une morphologie plutôt dendritique est observée en augmentant, ensuite, la vitesse. Ces structures ramifiées possèdent des branches primaires et secondaires. On distingue deux distances : λ1 (∼ 100 µm-1 mm [7]) qui est la distance entre deux bras primaires successifs et λ2 ( ∼ 10-100 µm [7] ) qui est la distance entre deux bras secondaires. De plus, le rayon des pointes de dendrite Rpointe est aussi une des caractéristiques de ces structures . Les structures colonnaires ont comme origine la zone de peau équiaxe qui apparait immédiatement après le contact du matériau coulé avec le moule. Elles croissent dans la direction opposée au flux de chaleur et normalement, en conséquence, aux parois des moules de fonderie. Cependant, leur croissance est influencée par l’écoulement du liquide.
Structures équiaxes
Ces structures n’ont pas de direction de croissance privilégiée à l’échelle du grain. Deux types de morphologies caractéristiques sont retrouvées. La première, globulaire, est compacte et sphérique. La deuxième, dendritique, est caractérisée par des branchements primaires et secondaires évoluant dans différentes directions .
Différents processus conduisent à la formation des structures équiaxes : La germination hétérogène est tout d’abord, reportée comme source des structures de solidification équiaxe [10]. Elle repose sur le fait que la zone de surfusion qui se forme devant le front colonnaire est propice à la formation des grains équiaxes. Dans le domaine des alliages de fonderie, deux cas doivent être distingués selon que l’alliage est inoculé (i.e des éléments additionnels sont ajoutés à l’alliage coulé) ou non. Dans le premier cas, la surfusion nécessaire à la croissance des grains équiaxes est étroitement liée à la taille des particules inoculantes. Par contre, dans le second cas, la surfusion doit être très importante pour que ce phénomène soit opérationnel. Le « Big Bang » est un terme proposé par Chalmers en 1963 [11] pour désigner un autre phénomène d’apparition des grains équiaxes à partir de germes initialement formés auprès des parois du moule, lors de la coulée, puis transportés par convection à l’intérieur du bain liquide sans être refondus. Enfin, La fragmentation a été observée par Jackson et al. en 1966 [12]. D’après des observations réalisées sur des alliages transparents, la fragmentation des structures colonnaires est proposée comme autre source des grains équiaxes. En effet, une fois que les bras secondaires dépassent la couche de diffusion de soluté qui entoure le bras primaire, leur développement devient libre et ils s’élargissent. Par la suite, ceci entraine un resserrement à l’endroit où ils sont attachés, constituant une zone de faiblesse mécanique mais aussi un site préférentiel de refusion du fait de la courbure négative locale. Les fragments ainsi formés sont transportés et peuvent, s’ils survivent dans la zone pâteuse, être source de grains équiaxes.
Croissance des structures
La vitesse de croissance des grains est contrôlée par celle de sa microstructure dendritique. Elle est reliée à la surfusion, c’est à dire à la différence de température entre la pointe de la dendrite et la température d’équilibre. Il existe plusieurs types de surfusions.
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Table des matières
Introduction générale
1 Revue bibliographique
1 Mécanismes physiques
1.1 Origine des ségrégations chimiques
1.2 Structures de solidification : morphologie, origine et croissance
1.3 Mécanismes de la transition colonnaire-équiaxe (TCE)
2 Modèles numériques
2.1 Technique de la prise de moyenne volumique
2.2 Modélisation des structures équiaxes
2.3 Modélisation des structures colonnaires
2.4 Modélisation de la croissance mixte colonnaire-équiaxe et de la TCE
2 Modèle colonnaire-équiaxe
1 Présentation du modèle
1.1 Représentation des structures colonnaire et équiaxe
1.2 Suivi du front colonnaire
1.3 Equations de conservation moyennées
2 Algorithme et implémentation
2.1 L’algorithme générale
2.2 Le transport
2.3 Germination et croissance
3 Conclusion
3 Applications expérimentales et validation
1 Croissance colonnaire et suivi du front
1.1 Description du cas test
1.2 Résultats
2 Transition colonnaire-équiaxe à solide fixe
2.1 Description du cas test
2.2 Résultats
2.3 Etude paramétrique
3 Transition colonnaire-équiaxe avec convection du liquide et transport des grains équiaxes
3.1 Présentation de l’expérience
3.2 Simulation 2D
3.3 Simulation 3 D
4 Applications Industrielles
1 Lingot 3.3 t
1.1 Présentation du lingot et des résultats expérimentaux
1.2 Résultats avec germination hétérogène
1.3 Résultats avec fragmentation
2 Lingot 4.2 t
2.1 Présentation du cas de simulation
2.2 Résultats avec germination hétérogène
2.3 Résultats avec fragmentation
Conclusion et perspectives
1 Conclusion
2 Perspectives
ANNEXES
