Influence d'un champ magnétique glissant sur la solidification dirigée des alliages métalliques binaires

Influence of a travelling magnetic field on directional solidification of binary metallic alloys

• Auteur / Autrice : Kader Zaïdat
• Direction : René Moreau, Marie-Danielle Dupouy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Dans le domaine de l'élaboration des alliages métalliques, les principaux enjeux industriels résident dans la possibilité de maîtriser la structure métallurgique ainsi que les défauts qui surviennent lors de la phase de solidification. Lors de la solidification, les mouvements hydrodynamiques dans la phase liquide ont une influence importante sur les propriétés du produit solidifié. Dans cette étude, la conception d'un nouveau dispositif BATMAF (Bridgman Apparatus with a Travelling MAgnetic Field) constitué d'un four de solidification dirigée et d'une bobine de Bitter permettant de produire un champ magnétique glissant a permis d'étudier l'influence d'une convection forcée sur la solidification dirigée des alliages métalliques binaires. Notre attention s'est plus particulièrement portée sur deux effets majeurs influencés par la présence de convection forcée ou non : la macroségrégation et la structure de grains pour un alliage d'Al-3. 5%pdsNi en présence ou non de particules affinantes. La vitesse ainsi que le sens de l'écoulement forcé peuvent être contrôlés par l'application du champ magnétique glissant. Nous avons montré que dans le cas de notre alliage, la macroségrégation peut-être contrôlée et que de plus, l'espacement primaire dendritique est modifié en fonction du champ appliqué. En ce qui concerne les structures de grains, à l'aide d'un modèle analytique, nous montrons que l'extension de la couche solutale en avant du front de solidification varie en fonction du sens de l'écoulement au voisinage de la zone pâteuse. Ceci conditionne la possibilité pour les grains équiaxes de germer puis de croître et, par conséquent, l'obtention du régime équiaxe ou non. Enfin, dans le cas des alliages non affinés, dans un domaine d'intensité de brassage, un régime de grains libres allongés a pu être obtenu probablement par fragmentation. Cette étude démontre s'il en était besoin, l'importance cruciale de la maîtrise de la convection sur les macroségrégations et la structure des grains et ouvre des perspectives quant à l'utilisation du champ magnétique glissant pour leur contrôle

In the field of the metallic alloys development, principal industrial goals are the control of the metallurgical structure and defects. Hydrodynamic movements in the liquid phase have a significant influence on properties of the solidified product. In order to study the influence of a forced convection on the directional solidification of binary metallic alloys, a new device made up of a Bridgman type furnace and a Bitter coil to produce a travelling magnetic field was designed and developed. We focused our attention on two major effects influenced by the forced convection: the macrosegregation and the grain structure. The velocity and the direction of the forced flow can be controlled thanks to the application of the travelling magnetic field. We have shown that this configuration can control macrosegregations and that moreover, the dendritic primary spacing is modified according to the applied field. With regard to the grain structure, using an analytical model, we have shown that the extension of the solutale layer in front of the solidification front varies according to the direction of the flow near the mushy zone. This mechanism enhances the nucleation and the growth of equiaxed grains. In the case of non refined alloys, a mode of elongated free grains could be probably obtained by fragmentation under a range of magnetic field.