Modélisation numérique multiphysique et multi-échelles de la solidification des alliages sous la convection forcée.

Aluminium and aluminium-based alloys are widely in industry due to the corrosion passivity, lighter weight, yet – in several cases – comparable strength with steel. Often, the material is used “as-cast“, that means that composition, macro- and microstructure of the material emerged during the casting defines its behaviour under different loads. Yet, convective flows generally arise in casting processes performed on-ground because of gravity and modify local solidification conditions, and, consequently, solute distribution and affect properties of material. To understand and to be able to control such phenomena, detailed experimental and numerical work has been needed.Two Bridgman-type furnaces were constructed in the University of Miskolc, Hungary, by MTA-ME Materials Science Research Group in the framework of the ESA funded MICAST project for experimental study of the effect of convective flow in solidification of alloys. These facilities were equipped with electromagnetic systems capable to generate rotating and travelling magnetic fields of various intensities.Multiphase models developed at SIMaP/EPM, Grenoble, France, were applied for numerical study of the solidification of binary and ternary aluminium alloys under electromagnetically generated convective flow. Solidification of a binary Al-Si alloy under RMF stirring was done with Euler-Euler ensemble averaging and lever rule mesoscale models coupled with the macroscale transport both in 2D and 3D geometries. Further, effect of various modes of TMF stirring during solidification of a ternary alloys was studied in 3D geometry with lever rule based macroscopic model. Results of numerical simulations well explain the segregation observed in the experimental samples.L’aluminium et ses alliages sont très largement exploités en industrie car ils sont légers, peu sensibles à la corrosion et parfois ont une dureté comparable à celle de l’acier. Souvent, le matériau est utilisé brut de fonderie, dans ce cas, la composition, la macro et microstructure de matériau issues de la solidification, définissent son comportement suivant les conditions d’utilisation. Cependant, au cours des procédés d’élaboration sur terre, l’écoulement convectif apparaît à cause de la gravité et modifie les conditions locales de la solidification, la distribution du soluté et influe sur les propriétés de matériau. Afin d’analyser et contrôler ces phénomènes, des études expérimentales et numériques ont été réalisés.Deux fours de type Brdigman ont été construits à l’Université de Miskolc par MTA-ME Materials Science Research Group dans le cadre du ESA-MAP MICAST pour étudier l’effet de l’écoulement convectif lors de la solidification des alliages. Ces fours ont été équipés de systèmes électromagnétiques permettant de générer des champs magnétiques rotatif et glissant .Des modèles multiphases développés à SIMAP/EPM, Grenoble, France, ont été utilisés pour la simulation numérique de la solidification d’alliages binaire et ternaire en présence d’un écoulement convectif créé par des forces électromagnétiques. La modélisation de la solidification d’un alliage Al-Si avec un brassage rotatif a été réalisée pour des configurations 2D et 3D avec un couplage entre un modèle macroscopique de transport et des modèles à l’échelle mésoscopique, l’un basé sur la règle de levier et l’autre sur une moyenne d’ensemble Euler-Euler. De plus, les effets de deux modes de brassage par champs glissants sur la solidification d’un alliage ternaire ont été étudiés dans une géométrie 3D à l’aide d’un modèle macroscopique basé sur la règle de levier. Les résultats des modélisations numériques permettent d’expliquer la ségrégation observée sur les échantillons expérimentaux