Academic literature on the topic 'Alliages – Solidification rapide – Modèles mathématiques'

Les alliages métalliques binaires obtenus par solidification doivent répondre à des exigences de qualité, ce qui suppose de contrôler le procédé de solidification. Ce contrôle est cependant imparfait car la compréhension des mécanismes à l'origine des ségrégations et de la transition colonnaires et équiaxes (CET) est encore partielle. Un modèle numérique multiphasique macroscopique a été utilisé pour quantifier l'influence de la convection naturelle et forcée sur le devenir des ségrégations. Puis, on s'est attaché à compléter le modèle développé dans le cas de structures purement équiaxes. Enfin des simulations de transition colonnaire équiaxe 1D ont été effectuées. Une comparaison avec des résultats expérimentaux a permis d'effectuer une validation du modèle et de l'appliquer aux expériences planifiées du projet Impress. Un développement 2D de la transition colonnaire équiaxe est également proposé
The binary alloys obtained by solidification must satisfy requirements for quality, which supposes to control the solidification process. This control is however imperfect because of physical mechanism such as the segregations and the columnar-to-equiaxed transition (CET). Numerical simulations are necessary to understand such phenomena. A multiphase macroscopic model was used to quantify the influence of forced and natural convection on segregations. Then the model was developed in the case of purely equiaxed structures. Finally, simulations of 1D CET were carried out. A comparison with experimental results made it possible to carry out a validation of the model and to apply it to the experiments of the Impress project. A development 2D of the CET is also proposed

Un nouveau modèle de microségrégation a été développé pour être couplé avec le code macroscopique SOLID. L'objectif est de mieux décrire la macroségrégation dans les lingots en prenant en compte la nature des phases qui se forment au cours de la solidification ainsi que les équilibres thermodynamiques entre elles. Le modèle a donc été couplé au logiciel Thermo-Calc et la transformation péritectique a été étudiée. L'analyse théorique des résultats du modèle a permis d'interpréter des profils cumulés expérimentaux originaux établis au cours de la croissance péritectique. Le modèle de solidification micro-macro résultant du couplage avec SOLID a été testé sur des lingots industriels: les résultats montrent que la transformation péritectique peut atténuer l'intensité de la macroségrégation en certaines zones du lingot et que la modélisation de toute l'histoire de l'établissement de la microségrégation est requise pour décrire les profils cumulés locaux en fin de solidification
A new microsegregation model has been developed to be coupled to the macroscopic code SOLID. The purpose of this study is to describe macrosegregation in ingots more accurately by taking into account the nature of the phases formed during solidification and the thermodynamic equilibriums between them. So, the model has been coupled to the software Thermo-Calc and the peritectic transformation has been studied. The theoretical analysis of the results given by the model has allowed to understand some original cumulated microsegregation profiles during the peritectic growth. The micro-macro code resulting from the coupling of this model to SOLID has been tested on industrial ingots: the results show that the peritectic transformation can soften the macrosegregation severity in certain zones of the ingot and modeling the whole history of microsegregation is required to obtain the local cumulated profiles at the end of solidification

On fait une analyse de la morphologie dendritique (espacement dendritique secondaire et primaire) dans la perspective de la théorie constructale. Les résultats obtenus sont validés contre plusieurs données expérimentales. On développe aussi un nouveau modèle multiphasique eulérien à prise de moyenne d'ensemble. La fermeture des équations moyennes est faite à l'aide du « modèle de la cellule ». La formulation finale du modèle permet d'approcher rigoureusement la coexistence des structures équiaxe et colonnaire et par conséquent la transition colonnaire-équiaxe. Le modèle est ensuite validé contre plusieurs expériences de solidification dirigée. Initialement développé pour un cas purement diffusif, le modèle est aussi étendu pour prendre en compte les effets de la convection. Finalement, ce nouveau modèle est utilisé pour la simulation de plusieurs cas type de solidification colonnaire dirigé sous l'influence d'un champ magnétique
We analyze first the dendritic morphology (the primary and secondary arm spacing) from the perspective of the constructal theory. The obtained results are validated against several experimental data. Secondly, we develop a new ensemble averaged multiphase model for the solidification of binary alloys. The averaged equations are closed by means of the "cell model". The final formulation of the model enables one to rigorously approach the coexistence between equiaxed and columnar structure and consequently the columnar-to-equiaxed transition. The model is validated against several directional solidification experiments. Initially developed for a pure diffusive case, the model is subsequently extended to account for the fluid convection effects. Finally, the new model is used for the simulation of several directional solidifications experiments under the influence of magnetic fields

Les poudres d'alliages aluminium-nickel produites par atomisation peuvent être traitées pour préparer du nickel de Raney, un catalyseur utilisé dans de nombreux procédés industriels. L'activité du catalyseur dépend fortement du déroulement des multiples réactions de solidification pendant l'atomisation. Un modèle de microségrégation pour la solidification d'alliages métalliques est alors développé. En considérant des flux de diffusion finis, des cinétiques de réactions dendritique, péritectique et eutectique et des surfusions de germination, une alternative plus évoluée est proposée aux modèles de Gulliver-Scheil ou de la loi des leviers. Le couplage avec des calculs d'équilibre thermodynamique est effectué pour évaluer les compositions des interfaces et les termes d'enthalpie dans le bilan d'énergie. Le modèle est appliqué à un alliage binaire, avec des densités de phases constantes, pour simuler le procédé d'atomisation de gouttes d'alliage Al-Ni. Un modèle dédié est choisi pour les conditions aux limites d'échange de chaleur. Les résultats sont comparés à des mesures expérimentales obtenues par diffraction de neutron. Des interprétations sont alors établies sur les comportements non triviaux des alliages Al-Ni solidifiés rapidement. Le modèle proposé permet ainsi d'appréhender les effets concurrents des différentes cinétiques (diffusion chimique, bilan d'énergie, vitesse croissance des microstructures, etc. ) lors de la solidification hors équilibre. Les principaux développements envisageables autour de ce travail incluent : l'extension aux alliages multicomposés, l'inclusion de densités variables, le couplage avec des calculs macroscopiques
Atomised powders of aluminium-nickel alloys may be processed to obtain Raney nickel, a catalyst used in numerous industrial processes. Catalytic activity strongly depends on the progress of the multiple solidification reactions during atomisation. A microsegregation model for metallic alloys solidification is thus developed. Considering finite diffusion fluxes, dendritic, peritectic and eutectic reactions kinetics and nucleation undercoolings, an advanced alternative to Gulliver-Scheil model or the lever rule is proposed. Coupling with thermodynamic equilibrium calculations is achieved to evaluate interfacial compositions and enthalpy terms in the energy balance. The model is applied to a binary alloy, with constant densities of phases, to simulate the atomisation process of Al-Ni alloy droplets. A dedicated model is chosen for the heat transfer boundary conditions. Results are compared to measurements from neutron diffraction experiments. Interpretations are thus given on the non trivial behaviour of rapidly solidified Al-Ni alloys. The proposed model allows estimating concurrent effects of different kinetics (chemical diffusion, heat balance, microstructures growth kinetics, etc. ) during solidification out of equilibrium. Main prospective developments from this work include: extension to multicomponent alloys, introduction of variable densities, coupling with macroscopic calculations

Ce mémoire comprend 7 chapitres. Les trois premiers correspondent à une étude bibliographique et à la recherche d'un modèle utilisable. Dans le chapitre IV sont exposées les conditions expérimentales de l'étude : géométrie des pièces, choix et composition des aciers, caractéristiques métallurgiques et structurales des aciers. L'étude expérimentale couvre la totalité du chapitre V et est structurée autour de quatre axes principaux : domaine de trempabilité, influence de la densité d'énergie et du temps de traitement sur la profondeur trempée et microstructures de trempe. Il ressort de l'étude expérimentale que les profondeurs durcies dépendent de la composition chimique de l'acier et de la valeur de la température d'austénitisation, ainsi que de la vitesse de diffusion du carbone. L'examen métallographique permet en fonction des cinétiques d'évolution de remonter aux températures des isothermes correspondant aux points de transformation AC1 et AC3. Dans le chapitre VI une approche théorique du problème de transfert de chaleur en régime instationnaire est envisagée sur la base d'un modèle analytique et d'un modèle numérique. Dans le dernier chapitre sont présentés les résultats de cémentation qui montrent que les profondeurs cémentées restent faibles.

En fonderie d'aluminium, la présence de microporosités au sein des pièces moulées nuit considérablement à leurs propriétés mécaniques. On comprend par conséquent que la modélisation et la prédiction de la formation des microporosités peuvent être d'un grand soutien pour le fondeur. Dans cette étude, nous avons observé tout d'abord expérimentalement la sensibilité à la formation des microporosités d'alliages binaires d'aluminium-silicium (Al-3%Si, Al-7%Si, Al-11%Si) dans des conditions de solidification unidirectionnelle ou uniforme. La caractérisation de nos essais nous a permis de retrouver certaines tendances déjà observées expérimentalement dans la littérature et notamment une augmentation de la fraction volumique de pores avec: la teneur initiale en hydrogène dissous, une microstructure plus grossière, une pression extérieure plus faible. Au vu de ces résultats, nous avons alors adopté une approche thermodynamique ou nous avons montré notamment que, dans l'intervalle de solidification des alliages d'aluminium, la diminution de la température et l'enrichissement en soluté du liquide résiduel peuvent diminuer considérablement la solubilité de l'hydrogène. Dans ces conditions, la formation des microporosités peut avoir lieu dans les premiers stades de la solidification ou les pertes de pression associées au retrait de solidification sont alors négligeables. Notre étude a abouti à la définition d'un modèle analytique de prédiction de la fraction volumique de pores se caractérisant par les deux étapes suivantes: 1) la détermination de la fraction solide critique à partir de laquelle la formation des microporosités devient thermodynamiquement possible, 2) le calcul de la fraction volumique de pores à partir de la résolution du bilan de masse pour l'hydrogène. Notre approche peut être utilisée pour d'autres alliages d'aluminium et/ou dans des conditions de solidification plus compliquées

La thèse est centrée sur la modélisation de la physique du comportement d’un alliage binaire et l’implémentation du meilleur modèle mathématique pour simuler le changement de phase liquide solide en tenant compte de la vitesse de refroidissement, la vitesse de solidification, la ségrégation, la convection naturelle et la surfusion afin d’optimiser la capacité de stockage de chaleur d'un tel matériau. Dans le présent travail, les températures pour lesquelles le changement de phase s'opère sont estimées grâce aux diagrammes des phases et la méthodologie CALPHAD qui retraduisent les différentes phases d'un alliage binaire, y compris la transformation isotherme. Pour cela, la minimisation de l'énergie de Gibbs est résolue dans un code de calcul développé à cette occasion et aboutit à l'identification des phases stables du matériau. Pour un intervalle de température souhaite le code permet d'estimer rapidement la décharge de chaleur pour la composition de l'alliage sélectionné en équilibre ou hors équilibre. Dans la méthode proposée, la vitesse de refroidissement du système permet de calculer la vitesse de solidification. Puis,celle-ci établit la relation entre la cinétique globale et la macrostructure. Basé sur le modèle de non-équilibre local, qui dépend de la variation du coefficient de partition, le degré de surfusion est prédit à partir de la vitesse de refroidissement appliquée. Une étude bibliographique a été réalisée pour amener une comparaison numérique et assurer la capacité de notre méthode à reproduire le changement de phase, en incluant des phénomènes spécifiques tels que la surfusion et la recalescence
Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) shows high storage density compared to sensible thermal systems. For high temperature applications, the use of alloys as phase change materials presents many advantages. Principally, varying alloy composition allows controlling the storage\discharge of thermal energy through an expected temperature range (defined by the heat source), and the high thermal conductivity givessuitable heat transfer properties to the system that receives/supplies the energy. However, some systems need a specific temperature range to correctly operate. In such conditions, subcooling (also known as undercooling) and segregation are undesirable phenomena in alloys when they are used as PCM. In thepresent work, we propose a method to predict the latent heat release during phase transformation of a binaryalloy submitted to a controlled cooling rate, including subcooling, segregation and variation of composition.This thesis describes the physical models that apply when heat is released from such a material. We takeinto consideration the cooling rate applied to the PCM, the solidification velocity, convective phenomena,melting temperature and subcooling. In the present work, phase diagrams and the CALPHAD methodologyare used to determine the temperature range for phase change (or constant temperature value for isothermal transformation) by minimizing the Gibbs equilibrium energy. The Gibbs free energy minimization has been implemented in a homemade numerical code. The material can be screened with different compositions for equilibrium or off-equilibrium solidification allowing quick selection of the optimal material for the specific heatsource. In the proposed method, the solidification velocity is obtained from the cooling rate. Then, variationin microstructure is driven by the solidification velocity using the local non-equilibrium diffusion model. Based on the local nonequilibrium model that depends on the partition coefficient variation, the subcooling degree, wich is derived from the applied cooling rate is predicted. A bibliographic study has been carried out and anumerical comparison has been undertaken to ensure the capacity of our code to reproduce the phase change of various materials that include phenomena such as subcooling and recalescence. The results highlight that the cooling rate is one of the most important parameters in the performance of the thermal storage, having a large effect on segregation and subcooling degree. Moreover, we show the influence ofpartition coefficient on the time evolution of solid fraction, considering a constant or a composition-dependent value. We can conclude that the latent heat release can be correctly predicted provided that the method correctly predicts the phase diagram and the variable partition coefficient. This work helps to accelerate the design and development of thermal storage systems and lays the foundation to continue exploring other kinds of materials (e.g. paraffins)