Modélisation de la solidification de gouttes atomisées

Modeling of the solidification of atomised droplets

• Auteur / Autrice : Romulo Adolfo Heringer Ferreira
• Direction : Gérard Lesoult
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure cristalline (solides)

Ségrégation (métallurgie)

Atomisation

Métallurgie des poudres

Simulation, Méthodes de

Solidification

Alliages aluminium-cuivre

Résumé

Il est indéniable que, du point de vue des structures de solidification, les pièces mises en forme par des procédés de la métallurgie des poudres sont homogènes à l'échelle macroscopique (du produit). En est-il de même à l'échelle des particules qui composent ces pièces? Dans ce travail, nous présentons des analyses expérimentales à partir de mesures locales de composition faites sur des gouttes atomisées d'Al-Cu. Ces analyses montrent que la distribution de soluté n'est pas uniforme à l'échelle de ces gouttes. Un modèle numérique a été proposé pour la solidification de gouttes sphériques d'alliages binaires soumises à la convection. La solidification démarre au centre de la goutte pour une surfusion donnée et progresse radialement vers sa surface extérieure. Des moyennes volumiques des bilans d'énergie et de soluté sur chaque phase ont été prises. La résolution numérique des équations obtenues permet l'évaluation des distributions de l'enthalpie, de la température, des fractions des phases, et du titre massique de soluté dans la goutte. Des résultats sont présentés pour une goutte d'Al 1O%mass Cu avec des surfusions de germination à 0, 30 et 60 °C. Le modèle prévoit des ségrégations de soluté dans la goutte. Il prévoit également la refusion systématique des structures solides sursaturées, laquelle peut être à l'origine de la fragmentation et du possible affinage spontané des grains déjà observés dans les gouttes atomisées.

It's well known that, from the structural point of view, the parts formed by powder metallurgy processes are quite homogeneous on a macroscopic scale (of the product). Does it go in the same way on the scale of the particles which compose these parts? In this work we present results of local measurements of the species composition made on atomized Al-Cu droplets. This analysis shows a non-uniform distribution of alloy compounds in the observed sections of the droplets. A numerical model was proposed for the solidification of a spherical droplet subject to convection. The solidification starts with an imposed undercooling at the center of the droplet and progresses spherically towards its external surface. Volume average of the energy and solute balances was taken for each phase. The numerical solution of these equations allowed to evaluate the distributions of the enthalpy, temperature, phase fractions, and solute composition in the droplet. Results are presented for a droplet of Al 10%mass Cu, and nucleation undercooling of 0, 30 and 60 °C. The model predicts the solute segregation in the droplet. It predicts also a systematic remelting of the supersaturated solid structures, which can be related with fragmentation and possible grain refining.