Étude et modélisation du procédé de refusion par plasma d’arc en creuset froid (PAMCHR) d’alliages de titane pour des applications aéronautiques

Study and modeling of the Plasma Arc Melting Cold Hearth Refining process (PAMCHR) for aeronautical titanium alloys

• Auteur / Autrice : Léa Décultot
• Direction : Jean-Pierre Bellot, Alain Jardy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 17/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Denis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Bellot, Alain Jardy, Annie Gagnoud, Moulay Abdellah Kharicha, Hervé Duval
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Annie Gagnoud, Moulay Abdellah Kharicha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Transfert de chaleur

Modèles mathématiques

Fusion au plasma

Fusion (métallurgie)

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Alliage de titane

Procédé de refusion

Torche à plasma

Modélisation mathématique

Transports couplés

Titanium alloys

Remelting process

Plasma torch

Mathematical modeling

Coupled transports

Résumé

Le procédé Plasma Arc Melting Cold Hearth Refining (PAMCHR) permet de recycler des chutes de titane afin d’élaborer des alliages de titane de qualité aéronautique. Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit se concentrent sur l’étape d’affinage du procédé. Elle correspond, après fusion de la matière et avant coulée en lingotière, au transport du métal liquide dans un creuset à fond plat en cuivre refroidi à l’eau. L’apport de chaleur du procédé se fait par des torches à plasma, dans un environnement de gaz inerte. Une modélisation tridimensionnelle de l’écoulement thermo-hydrodynamique de l’alliage de titane, a été développée avec pour base le logiciel CFD Ansys-Fluent. L’objectif de cet outil, nommé PAM3D, est d’améliorer notre compréhension du comportement du titane liquide au sein du creuset d’affinage. Un grand nombre de fonctions ont été intégrées au modèle pour décrire, entre autres, les transferts thermique et dynamique entre le jet de plasma et la surface du bain liquide. La compréhension de ces transferts est primordiale à la modélisation du procédé : ils ont pu être obtenus à l’aide d’une série d’essais, réalisés sur un four pilote PAMCHR, et de simulations obtenues par le développement de deux modèles numériques simples. Des résultats de simulations obtenues par cette première version de PAM3D sont confrontés à des mesures prises à partir de fusions expérimentales, et la comparaison est jugée satisfaisante. Cependant, la valeur maximale implémentée dans le modèle de la contrainte pariétale, dû à l’impact de la torche à la surface du bain, semble être sous-estimée. Des simulations complémentaires mettent d’ailleurs en avant le rôle important des forces hydrodynamiques sur le comportement thermique du bain, et en particulier de cette contrainte pariétale.

The recycling of titanium scraps can be achieved using the Plasma Arc Melting Cold Hearth Refining (PAMCHR) process with the aim of producing aeronautical titanium alloy ingots. In this manuscript, the research work focuses on the refining stage of the process where the liquid is transported in a horizontal copper water-cooled crucible. This important step takes place downstream the melting of the charge and upstream the casting of liquid titanium into the ingot mold crucible. Plasma torches are used as heat source of PAMCHR process, which is conducted under an atmosphere of inert gas. A three-dimensional modeling of the thermo-hydrodynamic flow of the titanium alloy has been set up based on Ansys-Fluent CFD software. The purpose of this tool, named PAM3D, is to improve our understanding of the liquid titanium behavior within the refining crucible. A large number of user functions have been integrated into the model to describe, among other mechanisms, the thermal and momentum transferred from the plasma plume to the surface of the liquid bath. The analysis of these transfers is essential for modeling the process. They are obtained by a study coupling melting tests, carried out in a pilot PAMCHR furnace, and numerical modeling. Numerical results, obtained by this first version of PAM3D are compared to experimental measurements, and the agreement is satisfactory. However, the maximum value of the shear stress, due to the impact of the plasma plume on the bath surface, implemented in the model seems to be underestimated. Moreover, complementary simulations highlight the important role of hydrodynamic forces on the thermal behavior of the bath, and in particular of this shear stress.