Modélisation 3D par éléments finis de la macroségrégation lors de la solidification d'alliages binaires

3D finite element modeling of macrosegregation during solidification of binary alloys

• Auteur / Autrice : Sylvain Gouttebroze
• Direction : Michel Bellet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Analyse numérique

Solidification

Ségrégation (métallurgie)

Alliages

Résumé

Cette thèse a pour objectif d’étudier la modélisation et la résolution numérique de la macroségrégation pendant la solidification de lingots d’alliages métalliques binaires. La macroségrégation est une hétérogénéité de la concentration en éléments d’alliages à l’échelle du lingot. Ces changements de concentration affectent de manière importante les propriétés mécaniques et chimiques du matériau. Il est donc essentiel de pouvoir prédire ces hétérogénéités pour assurer la qualité des lingots. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous préciserons les modèles implémentés dans le code de calcul THERCAST, un logiciel de solidification développé au CEMEF. La description des équations macroscopiques employées sera précédée d’une discussion sur la manière de valider la modélisation de la macroségrégation. Nous aborderons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrirons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ces modèles seront appliqués à la simulation de la solidification de plusieurs lingots. La validation se fera sur un lingot de petite taille par comparaison avec des résultats expérimentaux et des simulations avec d’autres logiciels. Ensuite nous analyserons en détail les prédictions de THERCAST sur un lingot plan, un lingot 3D similaire à un lingot industriel et finalement un lingot plus petit qui nous permettra une étude numérique plus complète. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu’elle a permis de mettre en évidence seront discutés et permettront de définir quelques orientations intéressantes pour poursuivre cette étude de la macroségrégation

This thesis aims at studying the modeling and the numerical resolution of macrosegregation during ingot solidification of binary metallic alloys. Macrosegregation is an heterogeneity of solute concentration at the ingot scale. This solute segregation modifies drastically the mechanical and chemical properties. So it is essential to predict such heterogeneities to ensure the product quality. After describing the industrial context and a review of the current research in this field, the models implemented in THERCAST (the solidification software developed at CEMEF) are presented. The set of macroscopic equations is preceded by a discussion on the validation of macrosegregation software. Then, the theory of remeshing and our adaptive anisotropic remeshing strategy are explained. These developments are applied to the simulation of different ingots. The first one, a small ingot, is used to validate our code by comparison with experimental results and numerical results from others codes. Then a deeper analysis of THERCAST simulations is made on a large 2D ingot, a 3D ingot similar to an industrial case and an intermediate ingot for more complex numerical studies. The models limitations and the phenomena identified during this study are finally discussed and will permit to define interesting orientations to continue this work on macrosegregation