Savya SACHI : Couplage du modèle de solidification avec données CALPHAD pour la prédiction des macroségrégations et des structures de solidification

Résumé :
Le présent travail vise à affiner les modèles existants dans SOLID® pour une meilleure prédiction des macroségrégations et des structures de solidification. Les modèles de solidification mis en oeuvre dans le code SOLID sont multiphasiques et multiéchelles. Les équations de transport qui le constituent sont fermées par des termes de transfert interphase régis par des relations constitutives microscopiques. Ces termes de transfert interphase reposent sur la représentation aussi précise que possible des phénomènes microstructuraux tels que la morphologie des grains,le profil des solutés dans les phases, et les équilibres thermodynamiques aux interfaces solide-liquide. Ce travail se concentre sur deux aspects : i) le couplage du modèle de solidification avec la thermodynamique des alliages multiconstitués et ii) l’incorporation d’un nouveau modèle de longueur de diffusion pour la phase liquide intervenant dans les termes de transfert interphase. Une méthodologie est proposée pour incorporer les données du diagramme de phase dans le modèle de solidification du code SOLID. Les exemples présents dans le littérature concernant le couplage d’un modèle de solidification avec des progiciels thermodynamiques (de type CALPHAD) ont été réalisé en considérant : soit le couplage direct entre les logiciels, soit une technique de tabulation permettant ensuite le calculs des grandeurs thermodynamiques par interpolation. Le couplage direct prend beaucoup de temps, tandis que l’approche par tabulation devient impossible avec l’augmentation du nombre de constituants de l’alliage. Nous présentons une nouvelle approche consistant à mettre en oeuvre des réseaux de neurones pour obtenir à partir de données thermodynamiques issus de codes de type CALPHAD, des relations de régression. Ces relations de régression peuvent ensuite être facilement couplées à un modèle de solidification de type de celui implémenté dans le code SOLID. Cette approche est beaucoup plus efficace sur le plan informatique que les méthodes mentionnées ci-dessus. La procédure de couplage est décrite et validée à partir de comparaisons avec des calculs CALPHAD sur des cas simples de solidification. D’autres simulations ont été effectuées sur le cas de référence Hebditch&Hunt ainsi que sur un lingot industriel. Les résultats obtenus par le modèle, tout en améliorant la prédiction de la ségrégation, mettent également en évidence les paramètres critiques du diagramme de phase, ce qui nous permet de proposer des valeurs modifiées de ces paramètres pour les simulations qui les supposent constants. Deuxièmement, la relation de longueur de diffusion dans la phase liquide proposée par Martorano et al. a été étendue pour tenir compte de la convection de la phase liquide. La simulation du lingot industriel avec cette nouvelle relation de longueur de diffusion montre un impact significative sur la taille et la morphologie des grains.

Mots-clés :
Solidification, modélisation numérique, Thermo-Calc®, réseau de neurone, modélisation multi-échelle, multiphysique.

Composition du jury :
> Rapporteurs :
- Menghuai WU, Chair of Simulation and Modelling of Metallurgical Processes, Montanuniversitat Leoben,
- Benoit GOYEAU, Professeur, Université de Paris - Saclay,
> Examinateurs :
- Olga BUDENKOVA, Chargé de recherche CNRS, SIMAP,
- Marie BEDEL, Maître de conférences, IJL, ENSAM,
- Sabine DENIS, Professeur, Université de Lorraine,
> Direction de thèse :
- Hervé COMBEAU, Directeur de thèse, Professeur, IJL, Université de Lorraine
- Miha ZALOZNIK, Co-directeur de thèse, Chargé de recherche CNRS, IJL
> Encadrant :
- Charles-André GANDIN, Directeur de recherche CNRS, CEMEF