Etude numérique et expérimentale de l’évaporation sous vide d’alliages métalliques : application à la refusion VAR de Zircaloy-4 - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Numerical and experimental study of metallic alloys vacuum evaporation : application to VAR process for Zircaloy-4

Etude numérique et expérimentale de l’évaporation sous vide d’alliages métalliques : application à la refusion VAR de Zircaloy-4

Abstract

Composition and chemical segregation control is primordial when producing high value-added materials, such as zirconium alloys for nuclear industry. Vacuum processing allows production very high purity ingot, however it also presents an additional problematic concerning control and prediction of alloy elements evaporation. This PhD dissertation aims at improving prediction of volatile metallic species evaporation during vacuum elaboration, especially during Zircaloy 4 VAR (Vacuum Arc Remelting).First, the evaporation kinetics and the expansion of the metal vapour produced during vacuum melting is investigated. The study is done with a combination of volatilisation experiments using an experimental electron beam furnace and particle based numerical simulation (FPM) of vapour behaviour. Our volatilisation studies on pure metals, Ti and Zr, show the importance of collisions above the liquid on the vapour expansion and its recondensation. Determination of Fe and Sn vapour expansion during Zy4 vacuum melting combined with particle simulation, allowed us to determine thermodynamic activity coefficients values for these elements in liquid Zy4.Then, metallic vapour expansion under VAR conditions is studied, with particular interest shown to condensation flows on the different surfaces. Application of our numerical model to Zy4 shows that the vapour deposited on the mould has a very different composition compared to the alloy. Finally, the particle model is coupled to an ingot growth model and we study the influence of evaporation, condensation and crown reincorporation with regard to volatile solute segregation and depletion. This coupling also provides a first prediction of crown thickness and composition and we compare them to industrial crown samples.
La maitrise de la composition et de la ségrégation chimique est essentielle lors de l’élaboration de matériaux à forte valeur ajoutée, comme les alliages de zirconium à destination de l’industrie nucléaire. L’élaboration sous vide permet d’obtenir des lingots d’une très grande pureté mais elle présente aussi une contrainte supplémentaire concernant la maitrise de la teneur en éléments d’alliage volatiles. Les travaux présentés dans ce document visent à améliorer la prédiction de la cinétique d’appauvrissement en espèces métalliques volatiles lors de l’élaboration sous vide et en particulier lors de la refusion VAR (Vacuum Arc Remelting ou refusion à l’arc sous vide) du Zircaloy-4, un alliage de Zr. Dans un premier temps, nous étudions la cinétique d’évaporation et l’expansion de la vapeur métallique produite lors de la fusion sous vide. L’étude est effectuée par une combinaison d’expériences en four à bombardement électronique et de la simulation numérique du comportement de la vapeur par une méthode particulaire (FPM). Nos études sur l’évaporation de métaux purs, Ti et Zr, montrent l’importance des collisions au-dessus du liquide sur l’expansion de la vapeur et sa recondensation. La caractérisation de l’expansion de la vapeur de Fe et Sn lors de la fusion sous vide de Zy4, combinée à la simulation particulaire, nous a permis de déterminer la valeur des coefficients d’activité thermodynamique de ces éléments dans le Zy4 liquide. Dans un second temps, nous présentons la simulation de l’expansion de la vapeur métallique dans les conditions du procédé VAR en nous intéressant particulièrement aux flux de condensation sur les différentes surfaces. L’application de ce modèle au Zircaloy-4 montre que la composition du dépôt sur la paroi interne de la lingotière est très différente de celle de l’alliage. Enfin, le modèle particulaire est couplé à une modélisation de la croissance du lingot et nous étudions l’influence de l’évaporation, condensation et réincorporation de la collerette sur la composition et la ségrégation des éléments d’alliage volatils. Le couplage offre aussi une première prédiction de l’épaisseur et de la composition de la collerette que nous comparons pour la refusion du Zyrcalloy-4 avec des prélèvements industriels.
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Dates and versions

tel-04105753 , version 1 (25-05-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04105753 , version 1

Cite

Thomas Poullain. Etude numérique et expérimentale de l’évaporation sous vide d’alliages métalliques : application à la refusion VAR de Zircaloy-4. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LORR0189⟩. ⟨tel-04105753⟩
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