Modélisation du procédé de refusion à l’arc sous vide : Échanges thermiques et défauts de solidification - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Numerical modelling of the Vacuum Arc Remelting process : Thermal exchanges and solidification defects

Modélisation du procédé de refusion à l’arc sous vide : Échanges thermiques et défauts de solidification

Abstract

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.
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.
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Dates and versions

tel-04221355 , version 1 (28-09-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04221355 , version 1

Cite

Julien Banos. Modélisation du procédé de refusion à l’arc sous vide : Échanges thermiques et défauts de solidification. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Lorraine, 2023. Français. ⟨NNT : 2023LORR0117⟩. ⟨tel-04221355⟩
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