Thèse CIFRE - Solidification des alliages métalliques et prédictions des ségrégations par simulation numérique - H/F

Description de l'offre

Description de l'offre

Contexte

Les composants en acier ferritique des enceintes sous pression des centrales nucléaires françaises doivent respecter des normes en termes de teneur en carbone. Lorsqu'un composant présente localement une teneur en carbone élevée, supérieure à celle initialement visée, le terme de ségrégation majeure positive est employé. Suite à des mesures récentes sur les calottes de cuve de l'EPR Flamanville 3 ayant révélées des niveaux de ségrégation en carbone plus importants qu'attendus, l'Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) a demandé à EDF et Framatome de recenser les autres gros composants forgés réalisé selon des gammes de fabrication proches, présentant le même risque de ségrégation. Les analyses, réalisées en 2016 et 2017, ont montré que les fonds primaires des générateurs de vapeur des centrales françaises en exploitation pouvaient également présenter des niveaux de ségrégation en carbone plus importants que ceux attendues.

Cette ségrégation en carbone apparaît lors de la solidification des alliages métalliques au stade du lingot. Elle est due à des phénomènes physiques complexes intervenants à différentes échelles, notamment à l'échelle macroscopique par les mouvements de convection dans l'alliage liquide et à l'échelle microscopique lors du changement d'état liquide-solide. Le recours à la simulation numérique multi-physique et multi-échelle des procédés mis en jeu permet d'apporter une vision complémentaire aux approches expérimentales. Un des objectifs de la simulation est de prédire la teneur en carbone de la pièce finale en fonction des paramètres de fabrication.

Plusieurs modélisations ont été proposées dans la littérature afin de représenter finement les phénomènes physiques d'ordre un intervenant aux différentes échelles de manière à gagner en précision sur la prédiction des ségrégations. A l'échelle macroscopique, il s'agit de modèles de mécanique des fluides intégrant la transition liquide-solide ([Ahmad et al., 1998], [Combeau et al., 2009]) . A l'échelle microscopique, il s'agit de prédire les microstructures solides qui apparaissent aux fronts des transitions liquide-solide ([Souhar et al., 2015], [Viardin et al., 2016]). Par ailleurs, cette problématique de solidification des bains liquides métalliques est également rencontrée dans le domaine du soudage pour lequel un modèle CFD a été proposé dans Code_Saturne , le code open-source développé par EDF ([Dorogan, 2017]).

Dans le cadre de cette thèse, EDF R&D et Framatome s'associent à l'Institut Jean Lamour, laboratoire de recherche reconnu internationalement dans le domaine de la solidification, afin de mieux appréhender le couplage complexe entre la dynamique des fluides et les phénomènes physico-chimiques en présence aux échelles microscopiques et macroscopiques. Cela permettra de disposer d'éléments scientifiques pertinents pour assurer une meilleure maîtrise de la fabrication et permettre la justification des composants nucléaires actuels et à venir, notamment vis-à-vis de l'hétérogénéité des structures sans recours systématique à des maquettes ou pièces sacrificielles.

Objectifs et déroulement

L'objectif de cette thèse est de disposer d'un modèle numérique capable d'assurer une meilleure compréhension des phénomènes physico-chimiques et des mécanismes mis en jeu lors de la solidification d'un alliage métallique. La thèse s'articulera selon les axes suivants :

·  Le recensement et l'analyse critique des approches existantes,
·  Le développement et l'implémentation d'un modèle physique avancé couplant les différentes échelles,
·  La validation de ce modèle sur des résultats d'essais existants ou à réaliser pour les alliages de la construction nucléaire.

Le code de calcul open-source Code_Saturne sera utilisé pour implémenter un modèle permettant de reproduire les mécanismes mis en oeuvre lors de la solidification.

Références

Ahmad N., Rappaz J., Desbiolles J.L., Jalanti T., Rappaz M., Combeau H., Lesoult G., Stomp C., Numerical simulation of macrosegregation: a comparison between finite volume method and finite element method predictions and a confrontation with experiments. Metallurgical and Materials Transactions A , vol. 29, pp 617-630, 1998.

Combeau, H., Zalo?nik, M., Hans, S. and Richy, P.E., Prediction of macrosegregation in steel ingots: influence of the motion and the morphology of equiaxed grains. Metallurgical and materials transactions B , vol. 40, pp 289-304, 2009.

Souhar, Y., De Felice, V.F., Beckermann, C., Combeau, H. and Zalo?nik, M., Three-dimensional mesoscopic modeling of equiaxed dendritic solidification of a binary alloy. Computational Materials Science , vol. 112, pp 304-317, 2016.

Viardin, A., Zalo?nik, M., Souhar, Y., Apel, M. and Combeau, H., Mesoscopic modeling of spacing and grain selection in columnar dendritic soldification : envelope versus phase-field model. Acta Materialia , vol. 122, p. 386-399, 2017.

Dorogan, K., Modelling and numerical simulation of surface active species transport - Reaction in welding processes. 12th International Conference on CFD in Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries SINTEF , Trondheim, Norway, 2017.

Environnement informatique

Code_Saturne .
Linux, Python, C, Fortran

Durée Envisagée

3 ans à partir de Septembre 2018

La thèse sera financée sous le régime CIFRE

Lieux

Répartition envisagée à 1/3 du temps à Institut Jean Lamour et 2/3 du temps à EDF R&D

·  EDF R&D
Département Performance, Risque Industriel, Surveillance pour la Maintenance et l'Exploitation
Groupe "Modélisation sous Incertitudes, Simulation et Physique du Soudage et des Procédés"
6, Quai Watier - 78401 Chatou
·  Institut Jean Lamour
Département Science et Ingénierie des Matériaux et Métallurgie (SI2M)
Groupe "Solidification"
CNRS - Université de Lorraine
2 allée André Guinier
54011 Nancy Cedex

Profil recherché

Profil souhaité

Profil

Etudiant de Grande école ou M2, spécialité mécanique numérique ou mathématiques appliquées.

Compétences souhaitées

Bases solides en mathématiques appliquées (méthode des volumes finis notamment), mécanique des fluides et mécanique des milieux continus. Développement informatique dans un code de mécanique des fluides CFD avec transfert de chaleur et de matière.

La connaissance théorique de la métallurgie des aciers et de ces procédés industriels serait un plus en particulier dans le domaine de la solidification des alliages métalliques.

Excellente maîtrise du français et aisance dans la communication orale et écrite. Bonnes compétences en anglais.

De plus, le (ou la) candidat(e) devra faire preuve d'un bon sens pratique et physique, de curiosité dans le domaine de la physique des procédés, et avoir une certaine appétence pour les techniques expérimentales.