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Catégorie : Soutenances de thèse et de HDR

Lundi 16 décembre 2019 : Soutenance de thèse de Martin CISTERNAS : Modélisation de la solidification des alliages TiAl en coulée centrifuge

Martin CISTERNAS, doctorant au sein de l'équipe " Solidification" de l'Institut Jean Lamour, soutient sa thèse intitulée :

"Modélisation de la solidification des alliages TiAl en coulée centrifuge"

 

Date et lieu :
Lundi 16 décembre 2019 à 9h30
Institut Jean Lamour
Salle 4-014

 

Composition du jury :

Directeur de thèse :

- Hervé COMBEAU
Professeur, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine

 

Co-directeur de thèse :

- Miha ZALOŽNIK
Chargé de recherche CNRS, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine
   

Examinateurs :

- Charles-André GANDIN
Directeur de recherche CNRS, Cemef, Mines ParisTech
   
- Nathalie MONNIER
Mdc, LRGP, Université de Lorraine

 

Rapporteurs :

- Andreas LUDWIG
Professeur, Montanuniversität Leoben
   
- Valéry BOTTON
Professeur, INSA Lyon
   


Résumé :
Les alliages TiAl sont un groupe de matériaux important pour les industries automobile et aérospatiale, de par leur faible densité et bonne tenue mécanique à haute température. Cependant, à cause de leur forte réactivité à l’état liquide, au moment de couler ces alliages, il faut utiliser une faible surchauffe pour limiter la contamination. La coulée centrifuge est une option pour améliorer le remplissage du moule à faible surchauffe. En coulée centrifuge, l’effet de la poussée d’Archimède sur le mouvement du liquide est renforcé, ce qui modifie l’écoulement par l’effet combiné de la force centrifuge et de force de Coriolis qui apparaissent dans le système en rotation. Ceci fait que des motifs particuliers de macroségrégation et de distribution de microstructures se forment dans la pièce solidifiée, et l’origine de ces motifs n’est pas très bien comprise. L’objectif de cette thèse est d’expliquer l’écoulement du liquide ainsi que le transport des grains solides et des espèces chimiques pendant la solidification d’alliages TiAl en coulée centrifuge. Un modèle 3D volume finis de solidification multi-échelle a d’abord été développé dans le cadre de cette thèse. Un tel modèle était nécessaire à cause de la nature tridimensionnelle des écoulements. Le modèle a ensuite été utilisé pour simuler des essais expérimentaux de solidification dirigée d’échantillons cylindriques en alliage TiAl GE (Ti-47Al-2Cr-2Nb), précédemment réalisés dans le cadre du projet ESA GRADECET. Ces essais ont été réalisés dans la “Large Diameter Centrifuge” de l’ESA, à des intensités de centrifugation entre 5g et 20g, où g est l’accélération standard de la gravité terrestre. Les résultats des simulations montrent que la force de Coriolis modifie complètement l’écoulement du liquide pendant la solidification, résultant en une unique boucle de convection dans le bain liquide. Inversement, la force de Coriolis n’a qu’un faible effet sur le mouvement des grains équiaxes. A forte centrifugation, le mouvement des grains est surtout gouverné par l’équilibre entre la gravité apparente et la force de trainée. Les résultats montrent aussi que la macroségrégation finale de l’aluminium n’est pas symétrique et présente un fort enrichissement le long du bord d’attaque de l’échantillon. Ceci est dû à l’asymétrie de l’écoulement induite par la force de Coriolis.

Mots-clés : Solidification, coulée centrifuge, alliage TiAl, modélisation numérique

 

Abstract :
TiAl alloys are an important material for automotive and aerospace industries due to their low density and high strength at high temperatures. However, due to their high reactivity in liquid state, low superheat must be used in casting in order to limit contamination. Centrifugal casting is an option to enhance mold filling at low superheat. In centrifugal casting the buoyancy driven flow is intensified and the flow structure is modified by the combined effect of the non-inertial accelerations – centrifugal and Coriolis – which appear in the rotating system. The consequence are particular patterns of macrosegregation and of distribution of microstructures in the solidified part. These patterns are not well understood. The objective of this thesis is to explain the flow structure, as well as the transport of solid grains and of chemical species during solidification of TiAl alloys in centrifuged systems. In the framework of this thesis a 3D finite-volume implementation of a multiscale solidification model was developed, which was required due to the inherently three-dimensional nature of the flow. The model was then used to simulate dedicated experiments of directional solidification of cylindrical samples of the TiAl GE alloy (Ti-47Al-2Cr-2Nb) that were previously conducted in the frame of the ESA GRADECET project. These experiments were carried out in the ESA “Large Diameter Centrifuge” at centrifugation levels between 5g and 20g, where g is the normal terrestrial gravity acceleration. The results of the simulations show that the Coriolis acceleration entirely modifies the liquid flow structure during solidification and lead to a one-vortex fluid flow pattern in the domain. On the contrary, it is shown that the Coriolis acceleration has only a weak impact on the motion of equiaxed grains. At high gravity level the grain motion is mainly controlled by the balance between the apparent gravity and the drag force. It is also shown that the final aluminum macrosegregation pattern show a strong enrichment on the flight velocity side of the sample due to the asymmetry of the liquid flow induced by the Coriolis force.

Keywords : Solidification, centrifugal casting, TiAl alloys, numerical modeling