Modélisation par automate cellulaire des structures de grain eutectiques: application à la fabrication additive d'alliages à haute entropie – EUTHEAM

Le développement des alliages complexes et à haute entropie, ainsi que des procédés de fabrication additive, renouvellent l’intérêt industriel pour la réalisation de pièces à microstructure eutectique. En effet, ces alliages génèrent par solidification des structures naturellement composites par leurs motifs intragranulaires multi-phases. Pour un alliage donné, les propriétés thermo-mécaniques des pièces fabriquées peuvent ainsi être optimisées par une maitrise des structures de grains formées, et de l’échelle des motifs eutectiques intragranulaires. Cependant, il n’existe actuellement aucun modèle permettant d’analyser et de prédire les structures de grain eutectique produites dans les procédés de solidification, limitant l’optimisation des microstructures par modélisation. De plus, il a été montré que les propriétés cristallographiques des grains eutectiques influencent les mécanismes de croissance des grains et leurs compétitions, ce qui complexifie encore l’analyse de ces microstructures.
Le projet JCJC EUTHEAM vise à adapter la méthode numérique d’automate cellulaire, développée pour les structures dendritiques, pour réaliser un modèle des structures de grain eutectique applicable à l’échelle de quelques centimètres cube aux procédés de fabrication additive. Dans ce modèle, la croissance des grains sera reproduite en déplaçant les fronts solide/liquide par méthode de suivi de front et en utilisant des lois de croissance adaptées de la théorie de Jackson et Hunt, tenant compte des propriétés thermo-physiques des alliages et des propriétés cristallographiques des grains eutectiques. Ce modèle sera utilisé pour analyser les microstructures générées dans 2 alliages à microstructure eutectique biphasée : un alliage Al-Cu binaire et un alliage complexe innovant appelé Ni2.1.
Le projet s’article autour de 5 lots correspondant à des briques thématiques pour la réalisation des objectifs. Le lot 0 correspond aux activités liées à la gestion et à la direction du projet, ainsi qu’à la diffusion de ses résultats. Un ensemble d’études expérimentales allant de la solidification dirigée en gradient thermique imposé à la solidification par procédé à fusion laser sur lit de poudre seront réalisées sur les 2 alliages sélectionnés dans le lot 1. Ces expériences seront réalisées à Mines Paris et dans le cadre d’une prestation à l’ICMPE et analysées au CEMEF dans le cadre d’un stage de fin d’étude. La tâche 2 vise d’une part à déterminer la loi de croissance de l’alliage Ni2.1 par des modèles analytiques et numériques adaptés aux alliages multi-constitués et d’autres part à analyser et modéliser l’évolution des lois de croissance des alliages Al-Cu et Ni2.1 en fonction des orientations cristallographiques des phases eutectiques. Ces lois de croissances seront introduites dans le modèle automate cellulaire du lot 3 et analysées par comparaisons à des études expérimentales. Le modèle numérique de structure de grain sera développé, d’abord en thermique imposée, puis avec un couplage à la résolution éléments finis de l’équation de flux thermique. Différents benchmarks numériques et comparaisons avec d’autres modèles seront réalisés afin d’évaluer ce nouveau modèle. La tâche 4 sera dédiée à l’application du modèle à l’analyse de microstructures expérimentales générées sur les 2 alliages analysés. Ces données expérimentales correspondent à celles collectées en tâche 1 et à des études de la littérature. Le développement numérique du modèle de structure eutectique et le lot 4 seront réalisés dans le cadre d’une thèse. Dans ces applications, on analysera la capacité du modèle à reproduire les grandeurs caractéristiques des structures de grain expérimentales, notamment les tailles de grains, les orientations cristallographiques préférentielles observées et les échelles des espacements eutectiques intragranulaires. L’influence des paramètres numériques sur les résultats des simulations sera analysée.