Advanced numerical methods for the simulation of the industrial quenching process

Quenching is a heat treatment method where a hot metal part is cooled down rapidly with the help of a quenchant. The purpose of such process is to give a certain microstructure to the metal in order to achieve the required mechanical performance. This process has direct impacts on changing mechanical properties, controlling microstructure and releasing residual stresses. Good control of quenching is essential for correctly controlling the phase changes that take place within the alloy, and obtain the microstructure exhibiting the desired thermomechanical properties. This Phd is done in collaboration with the company Linamar Montupet specialized in the manufacture of complex cast alumnium components for the automotive industry. They are interested in the quenching of metallic parts in liquid quenchants that can vaporize. The vaporizationis generally the leading phenomenon that drives the system. Indeed, the cooling of the part is strongly conditioned by the behavior of the surrounding fluid that extracts the heat therein.Thus, the objective of this thesis is to set a numerical framework able to simulate the quenching process at an industrial scale. In this thesis, different aspects will be studied: (i) analyze and simulate the liquid-vapor-solid interactions with phase change, (ii) simulate fluid-solid interactions to be able to predict the thermomechanical behavior of the solid. The results coming from these numerical development will be validated by confrontations with the experiments proposed in agreement with the industrial partner.La trempe est une méthode de traitement thermique où un métal chaud est refroidi rapidement à l’aide d’un medium. Le but est de donner au métal une certaine microstructure afin d’atteindre les performances mécaniques requises. Ce procédé a des impacts directs sur l’évolution propriétés mécaniques, contrôle de la microstructure et libération des contraintes résiduelles. Afin de réaliser un procédé optimal, il est essentiel de contrôler correctement les transformations de phase qui ont lieu dans l’alliage, et ainsi obtenir la microstructure présentant les propriétés thermomécaniques souhaitées. Cette thèse est réalisée en collaboration avec la société Linamar Montupet spécialisée dans la fabrication de composants en aluminium pour l’industrie automobile. Ils s’intéressent à la trempe des pièces métalliques dans les liquides pouvant vaporiser. La vaporisation est le principal phénomène qui anime le système. L’objectif de cette thèse est donc de définir un cadre numérique capable de simuler le procédé de trempe à l’échelle industrielle. Différents aspects seront étudiés: (i) analyser et simuler les interactions liquide-vapeur-solide avec changement de phase, (ii) simuler des interactions fluide-solide pour pouvoir prédire le comportement thermomécanique du solide. Les résultats des développements numériques seront validés par des confrontations avec les expériences proposées par le partenaire industriel