Thèse Modélisation par la Méthode du Champ de Phase de la Formation de Microstructures de Solidification dans les Alliages d'Aluminium H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Le développement de nouveaux alliages d'aluminium (Al) fabriqués à partir de matériaux recyclés par des procédés innovateurs est un sujet important pour la transition écologique. Ces nouveaux alliages doivent garder de bonnes propriétés mécaniques malgré la présence d'impuretés dans les matériaux recyclés, surtout des éléments de transition (ET) (Fe, Cr, Mn ...). L'ajout de certains ET à des alliages d'aluminium, même en petite quantité, peut considérablement modifier la microstructure. Le mécanisme sous-jacent est que certains solutés créent un ordre icosaédrique de courte portée dans le liquide, ce qui change la cinétique d'attachement des atomes à l'interface solide-liquide et joue ainsi sur la sélection des directions de croissance des dendrites de solidification. La formation des microstructures est contrôlée par la compétition entre (1) la diffusion des solutés dans le liquide ordonné, (2) l'anisotropie de l'énergie de surface de l'interface solide-liquide, et (3) l'anisotropie de la cinétique d'attachement. Cette thèse a comme objectif de mieux comprendre l'influence de ces facteurs sur la formation de microstructures dans les alliages d'Al durant la fabrication additive, en utilisant des simulations avec la méthode du champ de phase. Le/la doctorant/e pourra utiliser un code de champ de phase « maison » écrit en Cuda C et parallélisé sur un processeur GPU (graphical processing unit). Une parallélisation sur plusieurs GPU serait un développement intéressant durant cette thèse.

L'ajout de certains éléments de transition à des alliages d'aluminium, même en petite quantité, peut considérablement modifier la microstructure. Le mécanisme sous-jacent est que certains solutés créent un ordre icosaédrique de courte portée dans le liquide. Cet ordre local change à la fois la diffusion dans le liquide et la cinétique d'attachement des atomes à l'interface solide-liquide et joue ainsi sur la sélection des directions de croissance des dendrites de solidification. La formation des microstructures est contrôlée par la compétition entre (1) la diffusion des solutés dans le liquide ordonné, (2) l'anisotropie de l'énergie de surface de l'interface solide-liquide, et (3) l'anisotropie de la cinétique d'attachement.

Mieux comprendre l'influence d'impuretés sur la sélection de microstructures dans les alliages d'aluminium.

Les propriétés des interfaces (énergie et coefficient cinétique) en fonction de l'orientation seront calculés par nos partenaires du projet LUMEN en utilisant des méthodes atomistiques. Ces données seront utilisés comme paramètres d'entrée pour le modèle du champ de phase. Un code champ de phase 'maison' parallélisé sur processeur GPU est déjà disponible pour des alliages binaires. Il doit être étendu aux alliages multi-composants. Les directions et vitesses de croissance des pointes de dendrites seront déterminés en fonction des paramètres d'interface (et donc de la composition) et alimenteront une base de données qui sera utilisée pour les prédictions de la structure de grains du matériau à plus grande échelle par nos partenaires du projet LUMEN.