Caractérisation de la ségrégation sous sollicitation instationnaire et convection solutate en solidification Bridgman horizontale

• Auteur / Autrice : Fatima-Zohra Haddad
• Direction : Daniel Henry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solidification

Chaleur -- Convection

Simulation par ordinateur

Ségrégation (métallurgie)

Mots clés libres

Configuration Bridgman, ségrégation, instationnarités

Résumé

Nous nous sommes intéressés dans ce travail à la solidification dirigée d'alliages binaires en configuration Bridgman horizontale. Ces matériaux nécessitant, parmi les qualités requises, une homogénéité chimique optimale, nous avons principalement porté notre attention sur les phénomènes de ségrégation qui peuvent être géne��rés au cours de la solidification par divers phénomènes tels que les mouvements convectifs dans le bain fondu, d'origine thermique ou solutale, les évolutions transitoires, ou les sollicitations instationnaires. Ces études ont été réalisées par simulation numérique bidimensionnelle. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence d'instationnarités sur la solidification d'un alliage binaire dilué. Nous avons commencé par le cas d'une vitesse de tirage fluctuante. Nos résultats ont permis de caractériser la ségrégation dans l'alliage solide obtenu par un modèle de filtre passe-bas. Nous nous sommes ensuite intéressés au cas d'une vitesse convective oscillatoire, le taux de croissance étant maintenu constant. Pour ce cas aussi, on obtient un comportement de la ségrégation axiale en filtre passe-bas. Néanmoins, la variation linéaire de l'amplitude des signaux de ségrégation en fonction de l'amplitude de la perturbation n'est valable dans ce cas que pour les petites valeurs de cette dernière. Quant à la ségrégation radiale, elle n'est pas parfaitement ajustée à un comportement en filtre. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés aux fluides binaires concentrés pour lesquels l'écoulement convectif est généré uniquement par les gradients solutaux. On a examiné la structure de cet écoulement pour différents niveaux convectifs, ainsi que la répartition du soluté au sein du bain fondu. On a ensuite analysé la ségrégation dans les phases liquide et solide en fonction de différents paramètres caractéristiques. Des lois en puissance ont pu être trouvées, en très bon accord avec une analyse théorique en ordre de grandeur. Enfin une étude préliminaire sur la prise en compte de la déformation du front cristal-liquide, dans une situation sans solidification, a été réalisée. Nous obtenons des déformations dont l'amplitude croît avec l'intensité convective. Lorsque l'écoulement devient oscillatoire, ces oscillations se répercutent sur l'interface qui oscille de façon régulière autour d'une position moyenne déformée.

In this study we are interested in the directional solidification of binary alloys in the Bridgman configuration. Since the necessary qualities of these materials is an optimal chemical homogeneity, we have principally concentrated on segregation phenomena, which can be generated during the solidification process by various phenomena such as thermal and chemical convection courants, transient dynamics and instantaneous perturbations. We have studied these phenomena by a two dimensional numerical simulation. In our initial project we have studied the influence of ''instationnarities'' on the solidification of a diluted binary alloy. We began with the case of fluctuating solidification rate. From our results we were able to characterise the segregation in the solid alloy, by a model with a low frequency filter. In the following study we were interested in the case of an oscillating convection velocity, the solidification rate is taken to be constant. Here also the segregation can be characterised by a model with a low frequency filter. However we only find a linear variation of segregation amplitude signal as a function of the perturbation amplitude for small perturbation values. Concerning the radial segregation, it does not perfectly fit filter behaviour. In a further study, we have been interested in the solidification of concentrated binary alloys for which the convection flows are generated uniquely by chemical concentration gradiants. We have studied these flows for several different convection levels, as well as the chemical composition of the alloy melt. Following this, we analysed the segregation in the liquid and solid phases as a function of the different parameters. We were able to identify power law behaviour which agree with theoretical dimensional analysis arguments. Finally, we have performed a preliminary study of the deformation of the crystal-fluid interface. We find that the deformation grows with the convective amplitude. If the flow becomes oscillatory, the oscillations influence the interface, which itself oscillates around an average deformation position.