Projet ANR-07-BLAN-0190 – SMACS : Etude de la formation des microstructures et des macroségrégations en solidification d'alliages
Programme : Blanc (BLANC) 2007
Année de financement : 2007
Coordinateur du projet : INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE (INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE)
Partenaires : Association pour la recherche et le développement des méthodes et processus industriels; Centre national de la recherche scientifique; Centre national de la recherche scientifique; Université de Lorraine
Montant : 320000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Ce projet concerne la modélisation et la simulation numérique de la solidification d'alliages métalliques binaires, afin de mieux comprendre la formation des structures de solidification et des défauts du type macroségrégations. Il s'agit de proposer des solutions numériques et des données expérimentales de référence pour valider les modèles existants. Dans ce problème multi-échelle, les équations macroscopiques résultent du couplage de mécanismes fins à l'échelle de la dendrite. On a donc recours à des procédures de changement d'échelle et la définition même du modèle mathématique est un enjeu essentiel. Notre démarche consiste à proposer une action coordonnée en deux volets : l'un sur le développement de modèles macroscopiques avancés et leur mise en oeuvre numérique, l'autre sur la validation des codes résultant de ces modèles en produisant des données expérimentales de référence. Pratiquement on se donne pour objectif de définir et organiser un exercice de comparaison numérique international (benchmark) avec support expérimental, ce qui fait défaut dans ce domaine. Le programme de travail est organisé en cinq tâches. -  1 Modèle de Croissance Colonnaire : il s'agit ici d'établir un modèle «minimal» de solidification en croissance colonnaire, pour la définition d'un premier 'benchmark' destiné à comparer les méthodes numériques. -  2 Expérience de Référence : La validation des modèles totalement couplés de solidification exige un ensemble de résultats expérimentaux de référence. Actuellement, les quelques résultats expérimentaux disponibles dans la littérature internationale ne sont pas ni assez fiables, ni assez documentés pour permettre une comparaison quantitative. Ceci a motivé la mise en oeuvre d'un montage expérimental pour la solidification d'alliages métalliques binaires dont l'ambition est de fournir des mesures quantitatives et de constituer une base de données pour des conditions limites et initiales soigneusement contrôlées. -  3  Benchmark : on définit une démarche de validation progressive. D'abord, pour les écoulements sans solidification, pour une gamme de paramètres appropriés : convection thermique transitoire à faible Prandtl, puis convection thermosolutale à Lewis très élevé. On propose ensuite de résoudre un problème de solidification complet, avec un modèle imposé de façon à comparer la capacité des méthodes numériques à traiter ces problèmes fortement couplés. Enfin les résultats d'expériences de référence sont proposés comme benchmark (voir tâche 2). -  4  Modèles de Croissance Equiaxe et Colonnaire/Equiaxe : contrairement au modèle de croissance colonnaire, relativement bien établi, le développement de modèles prenant en compte la germination, la croissance et le mouvement de cristaux équiaxes reste un vrai défi scientifique. Les 4 équipes du projet développent sur ce thème des approches complémentaires : type Euler-Euler à partir de prise de moyenne volumique ou stochastique ; type Lagrange (pour les grains) Euler (pour le liquide). Ces approches seront comparées tout d'abord sur des cas simples de solidification purement équiaxes. La modélisation de la transition colonnaire-équiaxe (CET) combinant en un seul modèle les deux types de croissance constitue un problème encore ouvert tant au niveau de la description des phénomènes élémentaires que des algorithmes numériques. -  5  Comparaison entre Modèles et Expériences : les structures de solidification des lingotins issus des essais pourront être soit entièrement colonnaires ou équiaxes, soit colonnaires/équiaxes. On pourra ainsi confronter avec l'expérience les modèles purement colonnaire ou équiaxe. Ceci permettra notamment de valider les lois de fermeture utilisées dans les modèles (perméabilité, longueurs de diffusion, lois de germination). Un critère particulièrement sensible sera la capacité de prédiction des mésoségrégations ou canaux ségrégés. Jusqu'à présent il n'existe pas d'essais permettant de discriminer les résultats. Au-delà de la cré