Analyse des compétitions de croissance des microstructures produites au cours de la solidification des alliages métalliques

Analysis of growth competitions in microstructures produced during the solidification of metal alloys

• Auteur / Autrice : Racha Hammoud
• Direction : Gildas Guillemot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Métallurgie, Mécanique, Structures & Solidification
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Solidification

Microstructure

Modeling

Solidification

Microstructure

Résumé

Les microstructures de solidification des alliages métalliques peuvent prendre de multiples formes (dendrites, cellulaire, front plan…) qui influencent les propriétés d'usage des pièces fabriquées. Or, pour un même alliage, des microstructures différentes peuvent être observées en fonction des conditions de solidification. Des théories fondées sur les compétitions de structures existent pour analyser ces évolutions mais sont pour le moment peu développées pour les alliages multiconstitués. Le développement de ces théories est ainsi nécessaire pour prédire les structures générées en fabrication additive pour des alliages industriels. Dans cette thèse, on se propose d'utiliser et de développer les outils du CEMEF de calcul de loi de croissance de structures de solidification pour permettre une analyse des compétitions microstructurales dans les alliages multiconstitués. Une première partie du travail de thèse consistera à développer ces outils pour permettre de prédire les lois de croissance de microstructures eutectiques dans des alliages multiconstitués, notamment pour des procédés à solidification rapide, comme les procédés de fabrication additive. Ces modèles permettront d'éditer des cartes de sélection qui seront validées par comparaison à des données expérimentales. Enfin, ces outils seront utilisés pour développer des modèles de micro-ségrégation avancés afin de prédire les chemins de solidification au cours de la solidification d'alliages d'intérêt industriels. De telles informations sont en effet nécessaires dans l'industrie métallurgique pour améliorer la qualité des pièces. A titre d'exemple, elles peuvent être utilisées pour: - déterminer des critères de fissuration en fonction de la composition du liquide inter-dendritique, - déterminer la germination de phases fragilisantes ou durcissantes à l'état solide à la suite de la microstructure de solidification, - évaluer les propriétés mécaniques des pièces fabriquées.

The solidification microstructures of metal alloys can take many forms (dendrites, cells, flat fronts, etc.), which influence the properties of the parts manufactured. However, for the same alloy, different microstructures can be observed depending on the solidification conditions. Theories based on structural competition exist to analyze these evolutions, but are currently underdeveloped for multi-constituent alloys. The development of these theories is therefore necessary to predict the structures generated in additive manufacturing for industrial alloys. In this thesis, we propose to use and develop CEMEF's tools for calculating growth laws of solidification structures to enable analysis of microstructural competitions in multi-constituent alloys. The first part of the thesis will involve developing these tools to predict the growth laws of eutectic microstructures in multi-constituent alloys, particularly for rapid solidification processes such as additive manufacturing. These models will be used to produce selection maps, which will be validated by comparison with experimental data. Finally, these tools will be used to develop advanced microsegregation models to predict solidification paths during the solidification of alloys of industrial interest. Such information is needed in the metallurgical industry to improve part quality. For example, it can be used to: - determine cracking criteria based on the composition of the inter-dendritic liquid, - determine the germination of embrittling or hardening phases in the solid state following solidification microstructure, - assess the mechanical properties of manufactured parts.