Letteratura scientifica selezionata sul tema "Défauts de solidification"

Le silicium monolike (ML), est un matériau obtenu par croissance dirigée sur des germes monocristallins et dédié aux applications photovoltaïque. Cette thèse se concentre sur la qualité structurale de ces cristaux de plusieurs centaines de kilogrammes et qui contiennent des défauts dont certains affectent particulièrement le rendement solaire. Le but est de comprendre les mécanismes d'apparition et de multiplication de ces défauts pour pouvoir à terme les inhiber. Comme le développement de sous-joints de grains (SJG), principaux responsables des pertes de rendements photovoltaïques, est potentiellement lié aux contraintes thermomécaniques qui se développent au cours du cycle de fabrication, nous avons simulé numériquement les températures d'un four contenant un lingot sur un cycle complet (fusion, croissance, refroidissement). A partir des valeurs de températures, nous avons pu établir une cartographie des contraintes thermomécaniques ainsi que leur évolution temporelle. En parallèle, nous avons utilisé plusieurs techniques de caractérisations structurales et électriques pour analyser les défauts cristallins et leur répartition dans le lingot, et ce à différentes échelles. Au cours du cycle, un premier maximum de contrainte en fin de chauffe génère des dislocations et des précurseurs de SJG dans le germe, le second en fin de solidification / début de refroidissement mène à l'organisation finale des dislocations du bruit de fond présentes dans tout le lingot. Une fois les SJG apparus, ils s'étendent latéralement au fur et à mesure de la progression de l'interface solide-liquide. Ces sous-joints ont une structure constituée de dislocations sessiles et verticales, qui suivent le front de solidification mais également de dislocations mobiles qui viennent se bloquer sur cette structure préexistante. [...]
Monolike silicon (ML Si), is a material obtained by directional solidification on monocrystalline seeds and dedicated to photovoltaic applications. This thesis focuses on the structural quality of these crystals of several hundred kilograms that contain defects that potentially affect the photoelectric yield. The goal is to understand the mechanisms by which these defects nucleate and multiply in order to inhibit them. Since the development of sub-grain boundaries (SGB), which are the main factors for the losses of photovoltaic yields, is potentially related to the thermomechanical stresses that develop during a thermal cycle, we simulated numerically the temperatures of an oven containing an ingot over a complete cycle (fusion, growth, cooling). From the temperature values, we were able to establish a map of the thermomechanical stresses as well as their temporal evolution. In parallel, we used several structural and electrical characterization techniques to analyze crystalline defects and their distribution in the ingot at different scales. During the cycle, a first maximum of stress at the end of the heating stage generates dislocations and precursors of SGB in the seed. The second stress maximum at the end of solidification / start of cooling stage leads to the final organization of background dislocations present in the whole ingot. Once the SGB appear, they extend laterally as the solid-liquid interface progresses. These SGB have a structure consisting of sessile and vertical dislocations, which follow the solidification front and also mobile dislocations that interact with this pre-existing structure. The integration of these mobile dislocations, which can occur just below the solid-liquid interface or during cooling, increases the misorientation of the SGB. [...]

Le procédé de refusion à l'arc sous vide (Vacuum Arc Remelting ou VAR en anglais) est employé dans la production d'alliages métalliques à haute valeur ajoutée tels que les alliages de titane ou superalliages base nickel à destination de l'industrie aéronautique. La maîtrise des conditions de solidification constitue un enjeu industriel important pour obtenir des lingots d'une homogénéité chimique adéquate et dépourvus de défauts de solidification. Les travaux présentés dans ce document visent à améliorer la description des échanges thermiques dans un modèle du procédé VAR (SOLAR) et proposer une nouvelle approche pour la prédiction des défauts de solidification de type canaux ségrégés. Dans un premier temps, la description dans le modèle des échanges thermiques entre l'électrode, le lingot, la lingotière et le circuit de refroidissement a été améliorée. Les modifications ont fait l'objet de validation par comparaison des résultats numériques avec des mesures sur des refusions industrielles réelles. Un dispositif expérimental original de mesure de température à la paroi extérieure de la lingotière adapté aux refusions industrielles a été conçu et utilisé lors d'une campagne expérimentale sur site industriel lors de la refusion d'un alliage de titane. Les mesures obtenues ont été confrontées aux résultats numériques de SOLAR. Ces deux activités ont abouti à une première implémentation du phénomène de side-arcing dans le modèle. En parallèle, une approche numérique multi-échelle a été développée pour prédire la formation de canaux ségrégés en fonction des conditions locales de solidification. Une première étude sur un alliage Sn-Pb a été réalisée et un critère mathématique de prédiction a été calculé à partir des résultats. Cette première étude montre un impact du gradient thermique sur la formation de canaux ségrégés bien plus faible que celui généralement considéré dans la littérature
The Vacuum Arc Remelting (VAR) process is used in the production of high-added value metals such as titanium alloys or nickel-based superalloys for the aerospace industry. The control of solidification conditions is an important industrial issue in order to process ingots of adequate chemical homogeneity and free of solidification defects. The work presented in this manuscript aims at improving the description of heat exchanges in a VAR process model (SOLAR) and at proposing a new approach for the prediction of segregated channels type solidification defects. First, the description of the heat exchanges in the model between the electrode, the ingot, the mould and the cooling circuit has been improved. These modifications were validated by comparing the numerical results with measurements from real industrial melts. An original experimental apparatus for measuring the external mould temperature adapted to industrial melts was designed. This apparatus was used during an experimental campaign on an industrial site during the remelting of a titanium alloy. The measurements obtained were compared with the numerical results from SOLAR. These two activities led to a first implementation of the side-arcing phenomenon in the model. In parallel, a multi-scale numerical approach was developed to predict the formation of segregated channels as a function of local solidification conditions. A first study on a Sn-Pb alloy was carried out and a mathematical criterion was calculated from the results. This first study shows a much lower impact of the thermal gradient on the formation of segregated channels than that generally considered in the literature

En vue d'améliorer les prédictions des hétérogénéités chimiques observées sur les lingots d'acier en fin de solidification, une étude numérique tenant compte du mouvement et de la croissance-refusion des grains équiaxes a été réalisée. Après une étude bibliographique sur la formation des grains équiaxes, une approche diphasique a été utilisée pour décrire la croissance et la refusion des grains globulaires en mouvement dans le liquide. Cette étude numérique a été implémentée dans le code SOLID. Le mouvement des grains est décrit dans un premier temps avec l'hypothèse que ces derniers se déplacent à la même vitesse que la phase liquide. Les résultats obtenus ont montré l'influence du mouvement et de la croissance et refusion des grains, surtout dans les zones surchauffées. . . Ensuite, nous avons tenu compte du mouvement propre des grains. Dans ce cas, une fraction solide de cohérence au-delà de laquelle les grains sont immobiles a été introduite. Cette étude a montré que la macroségregation finale est fortement dépendante de cette fraction de cohérence ainsi que de la densité de flux de fragments. Enfin, nous avons montré qu'il est possible d'ajuster les données d'entrée du modèle pour obtenir une bonne cohérence entre les résultats numériques et expérimentaux
In order to improve the predictions ofheterogeneitiesof composition observed on steel ingots at the end of solidification, a numerical study which takes into account the movement and the growth of equiaxed grains has been realized. After a bibliographic part related to the formation of the equiaxed grains, a diphasic approach has been adopted to describe the growth and the remelting of globular grains moving in the liquid bulk. This numerical study was implemented in the computer code SOLill. The movement of the grains has been described in a first part with the assumption that the grains move at the same speed than that of the liquid phase. The results obtained. " showed the influence of the movement and growth-remelting of the grains on solidification, especially in the evolution of the superheated zones. Then, we have taken into account the own movement of the grains which differs from that of the liquid phase. Ln this case, a solid fraction of coherence beyond which grains are imposed to be fixed has been introduced. This study showed that the final macrosegregation is strongly dependent on this fraction of coherency and on the flux density of fragments. Finally, we have demonstrated that it was possible to adjust the input data of the model in order to get a good agreement between the numerical and the experimental results

Le recours généralisé aux nouvelles technologies d'élaboration des aciers permet d'améliorer la productivité mais est accompagné d'un accroissement des risques d'apparition de défauts. Dans ce contexte, la mise en oeuvre d'essais de caractérisation thermomécanique aptes à reproduire les sollicitations spécifiques au procédé d'élaboration est déterminante pour l'étude de la défectologie des produits. Le but de cette thèse est d'optimiser un test de caractérisation thermomécanique dédié à l'étude de la fragilisation à haute température d'aciers. Les procédures et analyses développées permettent donc principalement de reproduire les contraintes thermomécaniques subies par les produits élaborés par coulée et d'analyser l'influence des paramètres sur l'apparition des défauts. Les apports concernent les liens entre la ductilité à chaud et les micro ou macro-ségrégations et l'incidence d'une déformation au cours de la solidification sur l'apparition de criques
New generation of steel casting processes allow to increase the production rate but they cause some imperfections instance. In this context, it is necessary to design some thermo-mechanical tests dedicate to studies the products defectology. The aim of this thesis is to optimize a thermo-mechanical test dedicate to the study of a hot brittleness of steels. The analyses main allow to generate objectives thermo-mechanical stresses of the strand casting product and know the parameters sensibility on the failure instance. Scientific contributions are relative to the hot ductility and micro or macro-segregation bonds and effects of strain during solidification on the cracks instances

La présente étude porte sur l'influence de la vitesse de refroidissement et du taux d'inoculation sur la structure de solidification des fontes à graphite sphéroïdal. Des modèles de simulation numérique de la solidification sont proposés. Des pièces comportant 5 cylindres de diamètres différents, instrumentés à l'aide de thermocouples, ont été coulées. Les courbes de refroidissement ont été dépouillées par analyse thermique directe et dérivée. La structure des cylindres a été caractérisée par analyse d'images : on a ainsi déterminé la densité surfacique de nodules, leur densité volumique, le taux de graphite et celui de cémentite. Des corrélations entre ces paramètres ont été établies et chiffrées, de même que des corrélations entre les caractéristiques des courbes de refroidissement et les paramètres structuraux des pièces. L'ensemble des corrélations expérimentales obtenues représente un moyen empirique pour décrire l'effet du taux d'inoculation et de la vitesse de refroidissement sur la structure de solidification des fontes. Les différents aspects de la simulation numérique et de la confrontation entre les résultats des calculs et les données expérimentales sont ensuite successivement abordés. La cinétique de solidification est décrite par un modèle qui comporte des lois de germination et de croissance des sphères eutectiques (nodule de graphite plus coquille d'austénite). On présente enfin un modèle amélioré qui considère le dépôt d'austénite hors des sphères eutectiques. La confrontation simulation-expérience montre que le type de modélisation examine permet de décrire l'effet de l'inoculation et de la vitesse de refroidissement sur la structure des pièces coulées. Cette approche peut aider à la rationalisation des connaissances empiriques que l'on a de ces phénomènes en fonderie

Ce travail a pour but d'étudier la formation des défauts volumiques apparus au cours de la solidification de points de soudure réalisés par faisceau laser Nd:YAG sur tantale. La fin d'une impulsion laser se caractérise par la phase de solidification pendant laquelle le métal fondu rebouche le capillaire de soudage tout en se refroidissant et en se solidifiant. Selon les conditions opératoires, les modes de remplissage et de refroidissement sont différents et peuvent induire des défauts volumiques dans les soudures. Nous avons étudié ces défauts expérimentalement par microscopie électronique et par radiographie éclair. Ces analyses ont mis en évidence deux catégories de défauts : des porosités et des cavités. Les porosités prennent des formes de petites bulles qui sont piégées dans la matière solidifiée. Les cavités sont des zones sans matière qui sont liées au mode de remplissage du capillaire par le métal fondu qui se refroidit très vite. Nous avons modélisé l'apparition de ces défauts : le piégeage des porosités et la formation des cavités. Le principe du modèle du piégeage des porosités repose sur la comparaison de la durée de solidification de la soudure et de la durée de remontée d'une bulle de dimension connue à la surface du bain fondu. La durée de solidification est calculée grâce à l'équation de diffusion de la chaleur et tient compte d'une loi de remplissage linéaire au cours du temps. Les résultats permettent de prévoir les dimensions des porosités susceptibles d'être piégées dans la zone fondue. La formation des cavités a été modélisée grace à l'étude de l'écoulement du métal fondu à l'intérieur du capillaire avec le logiciel fluent. Les calculs sont basés sur l'équation de Navier-Stokes et tiennent compte des tensions superficielles et de la diffusion de la chaleur. Il apparait que sous l'effet des tensions superficielles, le métal rebouche le dessus du capillaire en emprisonnant une poche gazeuse à l'origine d'une cavité. Les résultats sont corroborés par l'observation in situ de la solidification de soudures de tantale en radiographie X éclair. Cette étude a donc permis de mieux comprendre les phénomènes rapides produits pendant la solidification de soudures et leurs conséquences.

Cette thèse s'articule autour de la modélisation du procédé de refusion à l'arc sous vide (V AR) à l'aide du code de calcul SOLAR. Le premier objectif de l'étude concerne l'amélioration de la description de certains phénomènes physiques au cours de l'élaboration, afin d'étendre les applications du logiciel aux simulations de refusions d'aciers. L'évolution de la modélisation des phénomènes de transfert dans le lingot secondaire comprend trois améliorations principales: - la modélisation du transfert thermique latéral, afin de tenir compte du phénomène de retrait entre la paroi du lingot et la lingotière, de la possibilité d'y injecter un gaz neutre et du réchauffement de l'eau dans le circuit de refroidissement en fonction de son débit, - une amélioration de la modélisation de la turbulence, le modèle k-E simplifié initialement implémenté dans le code ne permettant pas de décrire correctement l'écoulement du métal liquide dans le puits, - une nouvelle méthode de simulation de la croissance du lingot, reposant sur une opération cyclique de scission puis de croissance/migration des volumes de contrôle, qui respecte l'aspect continu de la croissance du lingot secondaire et autorise un affinement du maillage près de la surface libre. Le modèle amélioré a pu être finalement validé par comparaison avec des résultats expérimentaux issus de quatre refusions réalisées sur site industriel. Le second objectif vise à caractériser la qualité des produits élaborés en termes de propreté inclusionnaire et de risque de présence de veines ségrégées. Pour décrire le comportement inclusionnaire dans le puits liquide, un modèle trajectographique adapté aux écoulements turbulents a été validé puis implémenté dans le code. Différents comportements de particules ont été mis en évidence. Une éttlde sur le risque d'apparition de freckles a permis de retenir un critère particulièrement bien adapté au procédé. Une généralisation de ce critère, proposée dans ce travail, permettrait d'indiquer l'orientation privilégiée de ces canaux de ségrégation
This thesis deals with the modelling of Vacuum Arc Remelting process (VAR) using the numerical software SOLAR. The first aim of the study is a better description of several physical phenomena which occur during melting, in order to extend the application of the software to simulate the remelting of steel. The evolution in the modelling of transport phenomena in the secondary ingot is based on three major improvements: - lateral thermal transfer modelling, in order to take into account the formation of a gap between the ingot and the mould walls, a possible injection of a neutral gas, and the heating of water in the coolant circuit, according to its flow, - a better turbulence model, since the k-E model implemented previously in the numerical code was not accurate enough to correctly descri~ the flow of the liquid metal in the pool, - a new method to simulate the ingot growth, based on a cyclic operation of splitting and growth/migration of control volumes, which reproduces the continuous growth of the secondary ingot and allows for the refinement of the mesh close to the free surface. Finally, the improved model has been validated by comparison with experimental results provided from four remeltings carried out on full-scale furnaces. The second objective is the characterization of the quality of the manufactured products in terms of inclusion cleanliness and risk of freckles segregated channel generation. Ln order to describe the behaviour of inclusions in the liquid pool, a trajectory model, adapted to account for turbulent flows, was validated and then implemented in the code. Various particle behaviours were distinguished. A study on the risk of freckles generation led to the establishment of a criterion particularly weIl adapted to the process. A generalization of this criterion, suggested in this work, would allow the prediction of the probable orientation of such segregated channels

Une approche expérimentale incluant plusieurs techniques a été utilisée pour caractériser les défauts structuraux issus de la solidification, par imagerie X in situ, et par des techniques complémentaires ex situ pour caractériser la structure de grains, la qualité cristalline et la déformation. La composition et la ségrégation des impuretés ont été corrélées avec la caractérisation des défauts et les propriétés électriques. Les analyses montrent l'influence significative des impuretés légères et métalliques sur la solidification du silicium et sur les propriétés électriques. En présence d'impuretés légères, une fréquence plus élevée de germination des grains est observée, elle est liée à la présence de précipités. La structure de grains résultante est constituée d'une plus grande proportion de macles d'ordre élevé et de joints de grain aléatoires par rapport au cas des échantillons faiblement contaminés. De plus, des déformations locales sont induites par la présence de SiC et sont à l'origine de la formation de sous-joints. Les propriétés électriques sont dégradées en présence d’impuretés légères par rapport au cas des matériaux Si purs. Dans les échantillons contaminés par le Cu, aucun effet significatif sur la structure de grains n'a été mis en évidence. Cependant, les joints de macles Σ3 cohérents qui sont des défauts de haute qualité cristalline peuvent être actifs en présence de Cu. Cette observation a été corrélée à la ségrégation du Cu au niveau de ces joints de grains. Au cours de cette étude, les progrès récents des caractérisations in situ de dynamique de formation des défauts pendant la solidification ont permis d’ouvrir de nouvelles perspectives
An experimental approach including several techniques was used to characterize structural defects issued from the solidification by in situ X-ray imaging during solidification and by complementary ex situ techniques to characterize and quantify the grain structure, crystalline quality, and deformation. The composition and segregation of impurities were measured in correlation with the defect characterization and correlated to minority carrier lifetime measurements. The analysis shows significant influence of light impurities and metallic impurities on Si solidification and on the electrical properties. In the presence of light impurities, a higher frequency of grain nucleation is observed, it is linked to the presence of precipitates. The resulting grain structure is constituted by a higher proportion of high order twin and of random angle grain boundaries compared to the case of low contaminated samples. Moreover, local deformations are induced by the presence of SiC and are at the origin of SABGs (small angle grain boundaries) formation. The electrical properties are degraded (lower and inhomogeneous minority carrier lifetime) in the presence of light impurities compared to the case of pure Si materials. In Cu contaminated samples, no significant effect on the grain structure was evidenced. However, coherent Σ3 twin boundaries, which are defects of high crystalline quality, can be active in presence of Cu. This observation was correlated to Cu segregation at the level of these grain boundaries. During this study, recent progress concerning the in situ characterization of the defect formation dynamics during solidification allowed to open new prospects

En fonderie d'aluminium, la présence de microporosités au sein des pièces moulées nuit considérablement à leurs propriétés mécaniques. On comprend par conséquent que la modélisation et la prédiction de la formation des microporosités peuvent être d'un grand soutien pour le fondeur. Dans cette étude, nous avons observé tout d'abord expérimentalement la sensibilité à la formation des microporosités d'alliages binaires d'aluminium-silicium (Al-3%Si, Al-7%Si, Al-11%Si) dans des conditions de solidification unidirectionnelle ou uniforme. La caractérisation de nos essais nous a permis de retrouver certaines tendances déjà observées expérimentalement dans la littérature et notamment une augmentation de la fraction volumique de pores avec: la teneur initiale en hydrogène dissous, une microstructure plus grossière, une pression extérieure plus faible. Au vu de ces résultats, nous avons alors adopté une approche thermodynamique ou nous avons montré notamment que, dans l'intervalle de solidification des alliages d'aluminium, la diminution de la température et l'enrichissement en soluté du liquide résiduel peuvent diminuer considérablement la solubilité de l'hydrogène. Dans ces conditions, la formation des microporosités peut avoir lieu dans les premiers stades de la solidification ou les pertes de pression associées au retrait de solidification sont alors négligeables. Notre étude a abouti à la définition d'un modèle analytique de prédiction de la fraction volumique de pores se caractérisant par les deux étapes suivantes: 1) la détermination de la fraction solide critique à partir de laquelle la formation des microporosités devient thermodynamiquement possible, 2) le calcul de la fraction volumique de pores à partir de la résolution du bilan de masse pour l'hydrogène. Notre approche peut être utilisée pour d'autres alliages d'aluminium et/ou dans des conditions de solidification plus compliquées