Thèse de doctorat : Mouvement et tassement des dendrites lors de la solidification – modélisation et pontage d’échelle – Nancy , France

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France

Posted 9 months ago

Description de l’offre

Arrière-plan

Les matériaux métalliques sont composés de microstructures cristallines et leurs propriétés mécaniques dépendent de la taille, de la morphologie et de la composition chimique de ces microstructures. Dans la fabrication de pratiquement tous les produits métalliques, les processus de solidification, tels que le moulage, le soudage ou la fabrication additive, constituent une étape décisive pour la formation de la microstructure. Comprendre le lien entre les paramètres du procédé et la microstructure du produit est particulièrement important pour l’amélioration des propriétés de composants hautes performances à haute valeur ajoutée, par exemple la résistance aux chocs des cuves sous pression en acier des réacteurs nucléaires ou la résistance à la fatigue des aubes de turbine dans un moteur d’avion.

Lors de la solidification d’un alliage métallique, la structure cristalline solide se forme souvent sous la forme de grains dendritiques. Les dendrites, de quelques millimètres, croissent d’abord librement dans le liquide et peuvent se déplacer au cours de leur croissance. Ils sont charriés par le flux et répartis sur l’ensemble de la pièce solidifiante, qui peut mesurer plusieurs mètres. Ils sédimentent, s’entassent et continuent de croître jusqu’à solidification complète. La structure de la pièce solidifiée dépend fortement de ces phénomènes de transport.

Nos travaux sur la dynamique de mouvement des grains dendritiques ont montré que la transition entre la zone de grains flottant librement et la couche tassée de grains stationnaires se produit à travers une zone étroite, d’une épaisseur d’environ 5 fois la taille des grains. Dans cette zone de tassement, la distance entre les grains diminue brusquement et le couplage entre l’écoulement du liquide, le mouvement des grains et leur croissance entraîne de fortes variations de composition chimique et de température. Aujourd’hui, il n’existe pas de théorie pour décrire la zone d’emballage. Les phénomènes dans cette zone sont l’un des facteurs clés pour la formation d’une structure et d’une composition chimique non uniformes dans les pièces moulées.

Objectifs et méthodes

L’objectif de la thèse de doctorat est de répondre aux questions suivantes :

Quels sont les principaux phénomènes qui contrôlent la formation de la structure dans la zone de conditionnement des grains ?
Comment décrire la zone de garnissage à l’échelle macroscopique de la partie solidifiante afin d’intégrer la description dans un modèle de simulation du procédé industriel ?

La caractérisation expérimentale des phénomènes en zone de compactage est extrêmement difficile. Cependant, les modèles mésoscopiques de solidification récemment développés peuvent fournir des informations quantitatives détaillées sur l’évolution de la forme et de la taille des grains, la concentration et les champs thermiques, etc. Ils peuvent simuler des ensembles allant jusqu’à une centaine de grains ; il est donc possible de réaliser des expériences numériques et de caractériser tous ces aspects.

Le modèle d’enveloppe de grain (GEM) sera utilisé pour étudier la croissance et le mouvement des grains, ainsi que les couplages pertinents dans la zone de compactage. Le GEM décrit la croissance de grains individuels, couplé à une modélisation CFD volumes finis de l’écoulement, de la diffusion et du transfert de chaleur et à un modèle DEM (Discrete Element Method) de contact entre grains. Le code est développé sur la plateforme OpenFOAM. Le projet comprendra les étapes suivantes :

Une extension du GEM sera développée pour intégrer les phénomènes dans la zone de compactage dans le modèle.
Des simulations de solidification dans la zone de garnissage seront réalisées pour des configurations prototypes, pertinentes pour les conditions rencontrées dans les procédés métallurgiques.
Les simulations seront mises à l’échelle pour formuler des lois constitutives décrivant la solidification dans la zone de compactage dans des modèles de processus macroscopiques.