Equipe Solidification

Image en coupe radiale d’un échantillon de solidification dirigée du superalliage CMSX-4 obtenue par analyse d’image sur une micrographie en contraste BSE révélant les microségrégations chimiques dans un réseau de dendrites

Simulation de la croissance des grains équiaxes en interaction (27 grains). Les couleurs représentent l'orientation cristallographique

Cartographie EBSD d’un alliage d’or rose élaboré en solidification rapide illustrant la germination divorcée

Dernières publications

Mechanical and high-temperature characterization of additively manufactured Ni-superalloys at SALSA neutron strain diffractometer
W. Warzanskyj, B. Özcan, J. Luo, R. Bordas, Thomas Schenk, J. Cormier, T. Pirling, J.L. Ocaña, S. Cabeza
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2024, 1067, pp.169709. ⟨10.1016/j.nima.2024.169709⟩
A new concept of inoculation by isomorphic refractory powders and its mechanism for grain refinement
Jacob Kennedy, Ahmed Kaci Boukellal, Etienne Brodu, Dominique Daloz, Bernard Rouat, Emmanuel Bouzy, Julien Zollinger
Materialia, 2024, 36, pp.102167. ⟨10.1016/j.mtla.2024.102167⟩
Meshless interface tracking for the simulation of dendrite envelope growth
Mitja Jančič, Miha Založnik, Gregor Kosec
Journal of Computational Physics, 2024, 507, pp.112973. ⟨10.1016/j.jcp.2024.112973⟩

Présentation

L’équipe Solidification étudie les transformations de phase liquide-solide dans le but d’améliorer la qualité des produits métallurgiques pour lesquels l’élaboration fait appel à un procédé de solidification. Son activité de recherche met à profit l’association étroite de l’étude de la formation des structures et des phases pendant la solidification et celle des procédés de solidification. Ses travaux portent sur l’ensemble des échelles caractéristiques de la solidification allant de l’échelle atomique à celle du produit.
L’une des particularités de l’équipe réside dans une approche complémentaire entre :

Le développement d’expériences modèles permettant de s’affranchir des procédés industriels souvent complexes,
L’expertise en modélisation et simulation numériques multi-échelles : à l’échelle des mécanismes physiques élémentaires, aux échelles intermédiaires et à celle du procédé.

L’équipe développe également une recherche orientée et fondamentale grâce au développement de relations nombreuses, solides et pérennes avec des partenaires industriels, qui permettent de rester au fait des demandes de performances et de qualité des produits métallurgiques. Cette conception de la recherche a permis à l’équipe d’obtenir une chaire industrielle « Solidification » à partir de 2020.

L’équipe Solidification collabore sur ce thème avec d’autres équipes du laboratoire : Métallurgie et Surfaces ; Surfaces et Interfaces, Réactivité Chimique des Matériaux ; Procédés d’Élaboration ; Microstructures et Contraintes ; Physique, Mécanique et Plasticité.

Depuis 2004, l’équipe possède des contrats avec l’Agence Spatiale Européenne (ESA) qui lui permettent de réaliser des expériences en micro- et hyper-gravité. Elle coordonne depuis 2018 une équipe thématique de l’ESA dédiée à la fusion appliquée à la fabrication additive.

Mots-clés

Solidification

Germination et Croissance

Microstructures

Modélisation multi-échelles

Thématiques de recherche

Affinement des microstructures de solidification

La première étape lors d’une transition de phase est la formation d’agrégats de la nouvelle phase à l’échelle atomique. Ce phénomène appelé germination est crucial dans de nombreuses disciplines scientifiques allant de l’astrophysique à la biologie. C’est également un phénomène de premier ordre en métallurgie pour la compréhension de la formation des microstructures : la taille et la forme des grains dans les métaux et leurs alliages déterminent leur performance dans les applications structurales et fonctionnelles. L’objectif de ce thème est de comprendre les mécanismes à l’origine de la formation des grains lors de la solidification, avec des approches expérimentales nouvelles. La recherche se concentre en particulier en sur la compréhension de la structure du liquide et son contrôle pour maitriser la taille de grains et la microstructure finale.

Projet :

Contrat Industriel avec le CTIF 2018-2021, Contrat PSPC ISA3 2020-2023

Thèses :

CIFRE CTIF 2018-2021 Hélène QUEHEN
PSPC ISA3 2020-2023 Victor Moudin

Articles :

Solidification of metallic alloys: Does the structure of the liquid matter?, Metal. Mater. Trans. A (2020), 2651–2664.
Influence of minor Cr additions on crystal growth in rapidly solidified Al-20Zn alloys, Materials 13(2) (2020) 379.
Influence of Ir additions and Icosahedral Short-Range Order (ISRO) on nucleation and growth kinetics in Au-20.5wt.%Cu-4.5wt.%Ag alloy, Metal. Mater. Trans. A 50 (5) (2019), 2279 – 2288.

Dynamique de la zone pâteuse

Dans la zone de transition entre l’état solide et l’état liquide, dite zone pâteuse, le solide croît sous forme de microstructures hors équilibre. La dynamique de cette zone dépend à la fois des phénomènes de transport à l’échelle macroscopique du procédé (thermique, écoulement du liquide, transport des espèces chimiques) et de l’évolution des microstructures (thermodynamique, cinétique de croissance, morphologie). Les couplages forts entre tous ces phénomènes sont déterminants pour l’évolution de la zone pâteuse et pour la formation des hétérogénéités et des défauts structuraux et chimiques dans la structure solidifiée. Le premier objectif de ce thème est de comprendre les mécanismes de formation de ces hétérogénéités. À leur origine on trouve, par exemple : les instabilités de l’écoulement, la sédimentation des particules ou les interactions entre grains cristallins pendant leur croissance. Le deuxième objectif est de développer des outils de modélisation multi-échelles permettant de simuler ces phénomènes et d’être utilisés comme outils de réflexion.

Projets :

RESEM IRT M2P MiTeXFA 2018-2020
LabEx DAMAS 2020-2023

Thèses :

Labex Damas / Onera 2020–2023 Abdelhalim CHIROUF

Articles :

Mesoscopic modeling of spacing and grain selection in columnar dendritic solidification: Envelope versus phase-field model, Acta Mater. 122 (2017) 386–399.
Packing of sedimenting equiaxed dendrites, Phys. Rev. E 97 (2018) 012910.
Upscaling mesoscopic simulation results to develop constitutive relations for macroscopic modeling of equiaxed dendritic solidification, Materialia 5 (2019) 100231.

Procédés de solidification

Il s’agit d’accroître la connaissance des mécanismes entrant en jeu dans les procédés d’élaboration de fort tonnage des demi-produits métallurgiques. La complexité du procédé réside dans le couplage important entre les transferts de chaleur, de masse et de quantité de mouvement. L’élaboration de gros lingots, la coulée continue / semi-continue sont les procédés sur lesquels l’équipe travaille. Une bonne maîtrise de ces procédés est indispensable pour l’amélioration des propriétés des matériaux. Elle passe par une compréhension fine des phénomènes mis en jeu pendant la solidification: taille, morphologie des grains, texture de solidification, ségrégation chimique. Il s’agit là de grandeurs déterminantes pour les étapes avals du processus global d’élaboration d’un produit. L’expertise de l’équipe porte sur la caractérisation de ces grandeurs sur des produits industriels et le développement de modèles. Le code de calcul SOLID est développé dans ce cadre et commercialisé par la société S&CC.

Projets :

FUI Soft Défis, 2016–2020
Contrat industriel avec EDF, Framatome, Industeel, ArcelorMittal, 2018-2020
OpenSolid – contrat industriel avec 9 partenaires 2019-2022

Thèse :

FUI Soft Défis Savya SACHI

Articles :

Predictive Capabilities of Multiphysics and Multiscale Models in Modeling Solidification of Steel Ingots and DC Casting of Aluminum, JOM, 68, 2198-2206 (2016).
Modeling of the Coupling of Microstructure and Macrosegregation in a Direct Chill Cast Al-Cu Billet, Metall. Mater. Trans. A. 48 (2017) 4713–4734.
Three-Dimensional Methodology to Characterize Large Dendritic Equiaxed Grains in Industrial Steel Ingots, Materials (Basel, Switzerland) (2018), 11 (6).

Assemblage et fabrication additive

L’équipe s’intéresse aux procédés impliquant un processus de solidification rapide qui associent des gradients thermiques élevés à des vitesses de solidification supérieures au centimètre par seconde. L’assemblage hétérogène consiste à joindre deux matériaux chimiquement et structurellement différents ; la fabrication additive consiste à construire une pièce couche par couche avec un métal d’apport. Le point commun entre ces deux procédés est la formation des microstructures issue d’un liquide hétérogène, soit structurellement soit chimiquement, et à partir d’un solide possédant également une hétérogénéité microstructurale et chimique. Ce thème vise à développer les connaissances associées à la formation des microstructures à partir d’un état non-homogène et dans des conditions de refroidissement extrêmes.

Projets :

Contrat Industriel avec l’Institut de Soudure, 2019–2022
Contrat ESA MELTING 2019-2021
Contrat PSPC PAMPROD 2019–2022

Thèses :

CIFRE IS 2019-2022 Ivan CAZIC
PSPC PAMPROD 2019-2022 Ilia USHAKOV

Articles

Interface microstructure formation in Fe / Fe-Mn-C steel RSW joints, J. Mater. Process. Tech. 252 (2018) 697 – 704.
New insights into the origin of fine equiaxed microstructures in additively manufactured Inconel 718, Scripta Mater. 195 (2021) 113740.
Microstructure evolution of diffusion welded 304L/Zircaloy4 with copper interlayer, Mater. Des. 116 (2017) 386-394.

Chaire Industrielle « solidification »

La chaire industrielle est financée pour 5 ans (jusqu’à décembre 2025) par Arcelor-Mittal, Arcelor-Mittal Industeel, CEA, EDF et Framatome. Il s’agit de répondre à une problématique commune en matière de fabrication semi-produits, comme des lingots d’acier, destinés aux industries de l’énergie et du transport.

Lors de la coulée continue ou de gros lingots d’acier, il se produit un phénomène de ségrégation chimique, qui peut avoir des conséquences sur les processus de fabrication ultérieurs. Nous allons notamment chercher à modéliser ces phénomènes de ségrégation, afin de mieux les anticiper et optimiser les étapes de transformation ultérieure.

Projets :

Contrat Industriel avec Framatome 2020-2023

Thèse :

CIFRE Framatome 2020-2023 Lucie Gutman

Savoir-faire

Elaboration

Plate-forme d’élaboration en creuset froid pour la synthèse d’alliages
Fours Bridgman de solidification dirigée et de trempe en cours de solidification dirigée permettant le contrôle des conditions de solidification
Expérience de chute de goutte pour la solidification 1D dans des conditions extrêmes de gradients de température et de vitesse de solidification
Maquettes transparentes et matériaux simulants pour l’étude in-situ des phénomènes couplant transport et croissance

Modélisation

CrystalFoam, logiciel 3D pour la simulation de la croissance de grains à l’échelle mésocopique
GGDEM (General Geometry Discrete Element Method), logiciel 3D « maison » pour l’étude l’empilement des grains à l’échelle mésoscopique
SOLID®, logiciel 2D, et OpenSOLID, logiciel 3D, pour la prédiction des phases, des structures de solidification et des macroségrégations