Projet ANR-08-BLAN-0062 – SIMUZAL : NUMERICAL SIMULATION OF THE MUSHY ZONE BEHAVIOUR IN ALUMINIUM ALLOYS
Programme : Blanc (BLANC) 2008
Année de financement : 2008
Coordinateur du projet : INSTITUT  NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE - INPG (INSTITUT  NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE - INPG)
Partenaires : Association pour la recherche et le développement des méthodes et processus industriels; École nationale des ponts et chaussées; Grenoble INP
Montant : 418000.0 euros
Date de début : 2009
Durée : 48 mois
Résumé : La solidification des alliages métalliques conduit à la formation de microstructures complexes qui influencent leur comportement lors des transformations ultérieures ou leurs propriétés en service et de défauts tels que les pores et les fissures qui sont très néfastes pour ces propriétés. Il arrive parfois même que les fissures entraînent le rebut des produits solidifiés. De nombreux phénomènes interviennent de façon couplée dans la genèse de ces défauts tels que la déformation du squelette solide sous l'action de contraintes extérieures, le changement de volume à la solidification, la circulation du liquide interdendritique. Ceux-ci sont fortement influencés par la microstructure générée par la solidification qui elle-même dépend de la vitesse de refroidissement, de l'ajout éventuel d'éléments affinants de la structure ou d'éléments tensioactifs qui vont modifier l'énergie d'interface solide-liquide. De façon à appréhender tous ces phénomènes, il est nécessaire de développer des simulations numériques à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER) de la microstructure. Ces simulations doivent toutefois être alimentées par des données physiques du matériau et validées par des expériences appropriées et des observations pertinentes. Il y a encore quelques années, ces observations étaient uniquement réalisées après solidification complète de l'alliage et sur des coupes métallographiques. La tomographie X a permis récemment de passer à des caractérisations fines en 3D et qui plus est in-situ grâce au développement de caméras de plus en plus performantes. Ainsi, il est maintenant possible d'avoir des images en continu d'une structure en cours de solidification et des développements sont en cours pour visualiser en 3D et in-situ la formation des défauts lorsqu'un alliage est soumis à une déformation à une température donnée dans le domaine pâteux. L'objet de ce projet est d'utiliser la tomographie X in-situ pour obtenir des données d'entrée nécessaires pour la simulation numérique des phénomènes et de valider les résultats de la simulation par tomographie X in-situ. A la tomographie s'ajoute toutefois la nécessité d'essais mécaniques pour caractériser le comportement de la phase solide aux différentes températures correspondant au domaine de solidification. Les structures de solidification déduites de la microtomographie seront utilisées pour obtenir une discrétisation spatiale d'un VER. Une modélisation tridimensionnelle de type level set sera développée afin de modéliser l'évolution de la structure au cours de l'expérience. L'évolution de la microstructure sera alors calculée en fonction de l'histoire thermique imposée à la surface du VER. Cette information pourra provenir de modélisations macroscopiques de solidification, effectuées avec le logiciel THERCAST. Dans un second temps, on imposera en surface du VER des conditions de nature mécanique : un champ de vitesses pour la phase solide, un différentiel de pression pour la phase liquide, là encore calculés par un modèle macroscopique. L'enjeu sera alors de modéliser l'évolution du VER sous cet ensemble de conditions complexes. On s'attachera à suivre l'évolution de la fraction des phases et de la morphologie de la microstructure. L'enjeu est de comprendre comment se déforme une telle structure solide/liquide en évolution sous conditions mécaniques imposées : comment se déforment les grains dendritiques en cours de croissance, comment circule le liquide dans les espaces interdendritiques, peut-on prédire l'apparition de pores en fin de solidification et de criques dans ces veines liquides, et peut-on modéliser par exemple l'avancement d'une fissuration interdendritique ? La troisième partie du projet concerne la validation de la modélisation par des expériences in-situ en cours de solidification et la prédiction de l'influence des principaux paramètres intervenant lors de la solidification. Cette validation comprendra trois volets : la solidification libre qui permettra