Etude de la propreté inclusionnaire des lingots VAR - Application aux alliages de titane

Study of inclusional cleanliness of VAR lingots - Application to titanium alloys

• Auteur / Autrice : Ghassan Ghazal
• Direction : Alain Jardy, Pierre Chapelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux et métallurgie
• Date : Soutenance le 15/04/2010
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Archambault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Jardy, Pierre Chapelle, Pierre Archambault, Jacqueline Etay, Frédéric Gruy, Yvon Millet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacqueline Etay, Frédéric Gruy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Refusion à l’arc sous vide

Alliages de titane

Inclusion hard-α

Dissolution

Défaut HDI

Modélisation mathématique

Étude expérimentale

Dissolution

Vacuum arc remelting

Titanium alloys

Hard-α inclusion

HDI defect

Mathematical modelling

Experimental study

Trajectory

Dissolution

Résumé

L’apparition d’inclusions exogènes demeure un problème majeur pour les élaborateurs de titane. Afin d’améliorer la propreté inclusionnaire des lingots élaborés par le procédé de refusion à l’arc sous vide (Vacuum Arc Remelting), une étude numérique et expérimentale a été réalisée. La partie numérique de la thèse consiste à modéliser le comportement d’un défaut hard-α provenant de l’électrode consommable et tombant dans le puits liquide du lingot. Un modèle décrivant le processus de dissolution prédit l’évolution de la taille d’une inclusion durant son séjour dans le puits liquide. La trajectoire est déterminée à l’aide d’un modèle lagrangien tenant compte de la turbulence de l’écoulement en modifiant le coefficient de trainée. Les deux modèles ont été couplés et implémentés dans le logiciel SOLAR, qui simule la croissance d’un lingot VAR.Les résultats mettent en évidence la difficulté d’éliminer une inclusion hard-α avec une seule refusion, principalement à cause de la croissance d’une couche de phase β pendant les premiers moments de l’immersion. Le comportement global du défaut dépend fortement de l’hydrodynamique du puits et des caractéristiques de l’inclusion.Pour étudier la dissolution expérimentalement, des défautssynthétiques (hard-α et HDI) ont été immergés dans un bain de titane liquide chauffé dans un four à bombardement électronique. Les vitesses de dissolution ont été déterminées en mesurant les dimensions des défauts avant et après les expériences et ont été ensuite utilisées pour valider les modèles numériques. Par ailleurs, nous avons mis en évidence la grande influence de la température et de la vitesse de l’écoulement sur les cinétiques de dissolution

The presence of exogeneous inclusions has always been a major concern for the titanium industry. To help improve the inclusional cleanliness of VAR (Vacuum Arc Remelting) titanium ingots, a numerical and experimental study was undertaken.The numerical model is capable of predicting the motion and dissolution of a hard-α defect falling from the electrode tip into the ingot melt pool during vacuum arc remelting. It is implemented in SOLAR, a CFD code that simulates the ingot growth and solidification. The dissolution of the inclusion is governed by nitrogen diffusion from the defect towards the surrounding molten metal. A model describing this phenomenon predicts the particle size evolution and the nitrogen profile at each moment. The motion of the spherical particle is tracked using a Lagrangian model and the influence of turbulence is accounted for by a modification of the drag coefficient.Results show that inclusion removal is difficult with a single melt since the growth of a β-phase layer leads to an initial increase in the defect size. The inclusion behaviour is highly dependent on the pool hydrodynamics and on inclusion characteristics.In order to clarify dissolution aspects of these defects and to measure their dissolution kinetics, synthetically processed defects were introduced into molten titanium heated in an electron beam melting furnace. Dissolution rates were calculated by measuring the size of the defects before and after the experiments and the results were used to validate the numerical models. Furthermore, the experiments show that dissolution kinetics highly depend on fluid motion and temperature