CARACTERISATION D EXPERIENCES DE SOLIDIFICATION EN MICROGRAVITE ET SIMULATIONS NUMERIQUES

Transcription

1 Formation doctorale: Science et Génie des Matériaux OU Mécanique Numérique CARACTERISATION D EXPERIENCES DE SOLIDIFICATION EN MICROGRAVITE ET SIMULATIONS NUMERIQUES Contexte La solidification, branche de la métallurgie physique, est le domaine scientifique qui étudie la formation des hétérogénéités structurales et chimiques. Les alliages métalliques subissent pratiquement toujours une étape de solidification, soit par fonderie pour produire des pièces aux côtes finies proches de la géométrie utilisée, soit par élaboration de demiproduits tels que des plaques ou des billettes qui seront ultérieurement laminées ou forgées. Dans tous les cas, les ségrégations d éléments d alliages entre les solides et le liquide en présence jouent un rôle majeur dans la qualité du produit définit par la fraction des phases à l état brut de coulée. Elles détermineront notamment les gammes de mise en forme et les traitements thermiques ultérieurs. La modélisation numérique des échanges de masse, d énergie et de quantité de mouvement n est pas suffisante pour apporter une information quantitative prédictive de la solidification. Il faut lui adjoindre une description de la structure de solidification. Dans le cas des alliages à structure primaire dendritique, tel que l aluminium 7 %pds silicium, les enveloppes de grains interagissent avec le liquide mû par convection naturelle ou forcée. A ces échanges s ajoute la diffusion du soluté dans le solide dendritique riche en aluminium et dans le liquide, à l intérieur et à l extérieur des enveloppes des grains. Ces phénomènes sont intégrés dans une modélisation couplant les techniques d automate cellulaire et d éléments finis. Une illustration est donnée sur la figure ci-dessous. (a) (b) (c) (d) (e) Illustration de la modélisation 2D axisymétrique automate cellulaire - éléments finis de la solidification d un alliage aluminium 7 %pds silicium montrant (a) les enveloppes des grains dendritiques [noir : liquide], (b) la vitesse de la phase liquide, (c) la température [bleu: 608 C, rouge: 618 C, intervalles: 1 C], (d) la fraction de liquide [bleu: 0.75, rouge: 1, intervalles: 0.05] et (e) la composition moyenne en Si [bleu: 6.5 %pds, rouge: 7.5 %pds, intervalles: 0.1 %pds]. Géométrie de calcul : cylindre de 4 mm de diamètre pour 111 mm de long (domaine de visualisation de 10 mm de hauteur pour 4 mm de large, avec l axe de symétrie à gauche). Objectif La solidification d alliages métalliques en microgravité permet de s affranchir des forces de convection naturelle qui prévalent sur terre. Elle offre ainsi un cadre modèle pour l étude de la formation des structures et des ségrégations chimiques. De novembre 2009 à avril 2010, pas moins de 6 expériences ont eu lieues dans la Station Spatiale Internationale (ISS)

2 dans le cadre du projet CETSOL (Columnar to Equiaxed Transition in SOLidification Processing) de l Agence Spatiale Européenne. L objectif général de cette thèse est l analyse de ces expériences, leur comparaison avec d autres expériences effectuées sur terre en présence de convection et, la modélisation de ces expériences afin d une part, d approfondir l analyse expérimentale et d autre part, d améliorer les codes de modélisation numériques. Pour ce faire, une collaboration est définie entre l Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) de l Université Paul Cézanne, Provence et Sud basé à Marseille et le Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF) de MINES ParisTech basé à Sophia Antipolis. L IM2NP est spécialisé dans la mise en œuvre et la caractérisation structurale et chimique d expériences de solidification, alors que le CEMEF se focalise sur la modélisation numérique. Mots-clé Type de projet / collaboration Profil et compétences recherchés Salaire Lieus Solidification, Expérimentation, Simulation numérique Thèse intégrée au projet «Columnar-to-Equiaxed Transition in SOLidification processing (CETSOL)» de l Agence Spatiale Européenne (ESA) Ingénieur en science des matériaux ou équivalent, avec intérêt marqué pour la simulation numérique Environ brut par an Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) de l Université Paul Cézanne, Provence et Sud, UMR CNRS 6242, Faculté des Sciences et Techniques de St Jérome, Marseille, France Séjours possibles au Centre de Mise en Forme des Matériaux, MINES-ParisTech, UMR CNRS 7635, Rue Claude Daunesse, Sophia Antipolis, France Equipes IM2NP : Microstructures de Croissance Auto-organisées CEMEF : Structures et Propriétés dans les Procédés de Solidification

3 Doctorate programme: Materials Science and Engineering OU Computational Mechanics CHARACTERIZATION OF MICROGRAVITY SOLIDIFICATION EXPERIMENTS AND NUMERICAL SIMULATIONS Context Solidification is the scientific domain of physical metallurgy that studies the formation of the structural and chemical heterogeneities. Metallic alloys generally experience a solidification stage, either by foundry to produce near net-shape parts, or by elaboration of blooms or billets that are later laminated or forged. In all cases, segregation of alloying elements between the solids and the liquid phases plays a key role to define the quality of the as-cast product. Segregations will control the parameters of the forming and heat treatment processes that follow. Numerical modeling of mass, energy and momentum exchanges is not sufficient to quantitatively predict solidification. Description of the solidification structure is also required. In the case of alloys solidifying with primary dendritic structure, such as the aluminum 7 wt% silicon, the grain envelopes interact with the convecting liquid. Diffusion of solute also plays a role, in the solid and liquid phases. These phenomena are implemented in the cellular automaton finite element model illustrated in the below figure. (a) (b) (c) (d) (e) Illustration of the 2D axisymmetric cellular automaton finite element model applied to the solidification of an aluminum 7 wt% silicon showing (a) the envelopes of the dendritic grains [black: liquid], (b) the velocity of the liquid phase, (c) the temperature [blue: 608 C, red: 618 C, intervals: 1 C], (d) the liquid fraction [blue: 0.75, red: 1, intervals: 0.05] and (e) the average Si composition [blue: 6.5 wt%, red: 7.5 wt%, intervals: 0.1 wt%]. Simulation geometry: 4 mm diameter -111 mm long cylinder (visualization domain: 10 mm high - 4 mm width, with the axis of symmetry on the left). Objective Solidification of metallic alloys in microgravity allows significant reduction of the forces that lead to natural convection. It offers a modeling frame for the study of the formation of structures and segregations. From November 2009 to April 2010, 6 experiments took place in the International Space Station (ISS) as part of CETSOL (Columnar to Equiaxed Transition in SOLidification Processing), a project of the European Space Agency. The general objective of the present Ph. D. study is the analysis of these experiments, their

4 comparison with ground based experiments. Their simulations using the model presented above will permit to deepen the experimental analyses and to identify the limits of the model. With this goal, collaboration has been defined between the Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) of the Université Paul Cézanne, Provence et Sud based in Marseille and the Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF) of MINES ParisTech based in Sophia Antipolis. IM2NP is specialized in experimental studies and structural and chemical characterization, while CEMEF focuses on numerical modeling. Key-words Project category / cooperation Skills, abilities requested Gross salary Locations Solidification, Experiments, Numerical simulations Part of the project «Columnar-to-Equiaxed Transition in SOLidification processing (CETSOL)» of the European Space Agency (ESA) Engineer in materials science or equivalent, with a marked interest for numerical simulation per year Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) de l Université Paul Cézanne, Provence et Sud, UMR CNRS 6242, Faculté des Sciences et Techniques de St Jérome, Marseille, France Possible stays at the Centre de Mise en Forme des Matériaux, MINES-ParisTech, UMR CNRS 7635, Rue Claude Daunesse, Sophia Antipolis, France Teams IM2NP : Microstructures de Croissance Auto-organisées CEMEF : Structures et Propriétés dans les Procédés de Solidification

5 Informations complémentaires à la diffusion : 1/ Nom du ou des directeurs de thèse : Nathalie MANGELINCK, Charles-André GANDIN 2/ Domaine (s) de recherche de la thèse : Etude Métallurgique et Numérique de la Solidification 3/ Remarques particulières : Double compétence recherchée en Matériaux et Modélisation Informations pour la diffusion de votre sujet de thèse : Votre sujet est systématiquement diffusé sur le site web du CEMEF, de l Ecole et de l ABG. * Votre sujet est-il à mettre sur les sites web externes : Master Matériaux INSA Lyon (R = Matériaux innovants / P = cycle de vie des matériaux) Academic Jobs EU Euraxess : EC researchers in motion site computational fluid dynamics * Souhaitez-vous le diffuser également auprès de : AFM SF2M autre : donner ou url site :