Etude de l'effect thermoélectrique magnétique en solidification directionnelle d'alliages Al-Cu.

par Jiang Wang

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Yves Fautrelle et de Zhongming Ren.

Soutenue le 18-10-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Sciences et Ingénieurie des Matériaux et des Procédés (équipe de recherche) .

Le président du jury était Alain Jardy.

Les rapporteurs étaient Xiaodong Wang, Claude Esling.


  • Résumé

    Nous étudions l'effet thermo-électrique et les phénomènes qui en résultent, forces et les courants thermoélectriques (TEC) sous l'action d'un champ magnétique externe imposé lors de la solidification d'alliages métalliques. Nous avons utilisé des simulations numériques, des observations directes et des examens de laboratoire. L'interaction entre les courants thermo-électriques et le champ magnétique externe lors de la solidification se produit des forces électromagnétiques et donc un écoulement du métal liquide. Le résultat est nommé effet magnétique thermoélectrique (TEME). Les formulations de TEC, les forces et les équations gouvernant les écoulements TEM sont donnés. Afin de mieux prouver l'existence de la TEME, des expériences par méthode d'imagerie à rayons X menées au synchrtron ont été utilisées pour observer in-situ et en temps réel l'action directe des forces et les mouvements TEM pendant la solidification directionnelle des alliages Al-Cu. Nous avons montré la cohérence raisonnable entre les calculs analytiques et des simulations numériques qui ont exécuté avec les mêmes conditions de traitement. En outre, la capacité des écoulements thermo-électriques à influer sur la microstructure lors de la solidification directionnelle sont expérimentalement évaluées dans les autres cas en réalité. La solidification directionnelle d'une seule phase de formation des alliages Al-Cu sous divers champs magnétiques montre que les écoulements TEM sont capables de modifier la forme de l'interface liquide-solide conduisant à des morphologies différentes. L'effet le plus intense se produit dans différents champs magnétiques pour différentes morphologies, en effet, le champ magnétique élevé est nécessaire pour la morphologie a une plus petite longueur typique. Ceci est en accord avec le comportement des vitesses de TEM qui varient avec les champs magnétiques imposés ainsi que les différentes échelles de longueur typique. Cette variation est confirmée par des simulations numériques 3D. Nous montrons que les dendrites primaires et à l'avant de la phase eutectique, peuvent être modifiés par les mouvements TEM et les forces de TEM dans le solide pour améliorer la croissance de la phase de Al2Cu facettes primaire pendant la solidification des Al-40wt%Cu hypereutectiques. Le mécanisme de renforcement de la croissance de la phase facettes Al2Cu est confirmé par la transmission électronique observation au microscope, et la raison de la formation de la structure de croissance de couple de Al-26wt% Cu alliages est vérifiée par le test de l'analyse thermique différentielle. Ainsi, nous pouvons affirmer que le champ magnétique élevé facilite la formation de la structure de la croissance de couple pour hypoeutectiques alliages Al-Cu, et favorise la croissance de la phase Al2Cu primaire pour hypereutectiques Al-Cu alliages.

  • Titre traduit

    Study on the thermoelectric magnetic effect in directional solidification of Al-Cu alloy


  • Résumé

    We have investigated the thermoelectric magnetic (TEM) forces and flows resulting from the interaction between the internal thermoelectric currents (TEC) and the imposed external magnetic field during solidification. Numerical simulations, direct observations and experimental examinations were undertaken. As the natural phenomenon, TEC was discovered almost 200 years ago, therefore, our introduction begins from then on. It is shown that the interaction between TEC and external magnetic field during solidification in the cont put forth new interesting phenomena in the context of a rising field named Electromagnetic Processing of Materials. After that, it is discussed how the TEC appear and the TEM effect (TEME, referring to both TEM forces and flows) behaves at the liquid-solid interface in directional solidification under external magnetic field. Meanwhile, formulations of TEC, TEM forces and flows are given, and numerical simulations of TEME are performed to visually display the TEM forces and flows. In order to further prove the existence of TEME, in situ synchrotron X-ray imaging method was used to observe the direct resultant of TEM forces and flows during directionally solidifying the Al-Cu alloys. The observations show reasonable consistency with the analytical calculations and numerical simulations performed with the same process conditions. Except confirmation the existence of TEME, its abilities to affect the microstructure during directional solidification are experimentally investigated in the more realistic cases. The single phase forming Al-Cu alloys are directionally solidified under various magnetic fields, which shows that TEM flows are capable to modify the shape of liquid-solid interface, and the most intensive affect occurs under different magnetic fields for different interface morphologies. Indeed, the smaller the typical length of the morphology is the higher the magnetic field is needed. This agrees with the estimating regulation of the velocity of TEM flows changing with magnetic fields for different typical length scales, and is confirmed by 3D numerical simulations. Directional solidification of multiphase forming Al-Cu alloys under various magnetic fields shows that the mushy zone length (distance between the front of primary dendrites and eutectic phases) varies with the magnetic fields, which can be attributed to the redistribution of rejected solutes by TEM flows. In addition, apparent enhanced growth of the primary faceted Al2Cu phase is founded when Al-40wt%Cu alloys are solidified under sufficient high magnetic fields, this should be ascribed to the TEM forces acting on the solid because strains are able to lead the formation of defects and thus benefit to the growth of faceted phase. This is confirmed by comparison of the dislocations in samples solidified without and with a 10T magnetic field via transmission electron microscopy observation. In another aspect, an almost entire couple growth structure is achieved when Al-26wt%Cu alloys are directionally solidified under a 4T magnetic field, which can be explained by the effect of high magnetic field on changing the nucleation temperature and growth velocity of each phase. Moreover, the differential thermal analysis test on the nucleation temperature of both α-Al and eutectic phases verified this explanation. Therefore, we conclude that high magnetic field facilitates the formation of couple growth structure for hypoeutectic Al-Cu alloys, reversely, enhances the growth of primary dendrite for hypereutectic Al-Cu alloys.


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