In investment casting, the removal of wax from the shell is a critical step which may cause shell failure. It would be advantageous to predict the stress development during de-waxing process with computer simulation. The process was simulated with the consideration of two aspects: (i) The thermo-physical data required to model the shell and wax behaviour in the autoclave environment and (ii) A simulation capable of capturing the interaction between shell, wax and the autoclave environment. Data on mechanical properties, thermal properties, permeability, rheology, thermal expansion and density was gathered for wax and shell as appropriate. Flow-3D was used to simulate the de-wax process such that the shell and wax can be simultaneously modelled. It was shown that the Von misses stress exceeded the expected critical failure stress at certain nodes after steam was introduced to the system. Waxes with higher viscosity were predicted to reach the critical stress sooner. The simulation showed that for the selected drainage orifice sizes that was no or little difference in the time taken to reach the critical stress. Wax compressibility which was considered to represent shell permeability was predicted to have a large effect on shell cracking prediction. In general, the statistics of failure in validation test limited the conclusions that could be drawn. Waxes predicted to show differences in cracking and drainage with increasing orifice size did so in the experiment. The simulated drainage times were greater than determined experimentally by around 380s and this requires further investigation.

Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια ραγδαία αύξηση της χρήσης των προηγμένων κεραμικών σε τεχνολογικές εφαρμογές και στην παρασκευή διαφόρων τεχνολογικών- προϊόντων, λόγω των σημαντικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν. Επιπλέον, μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει και ο συνδυασμός κεραμικών με μέταλλα τόσο σε τεχνικές συνένωσης όσο και στην παρασκευή σύνθετων υλικών κεραμικού μετάλλου (κεραμομεταλλικών) με πυροσυσσωμάτωση (sintering) παρουσία ή μη ρευστής μεταλλικής φάσης, με βελτιωμένες ιδιότητες. Σημαντικό ρόλο στη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών αυτών παίζουν τα φαινόμενα διαβροχής και η ισχύς του δεσμού που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια κεραμικού μετάλλου, καθώς και οι επιφανειακές και διεπιφανειακές ενέργειες των υλικών η των συστημάτων των υλικών που βρίσκονται σε επαφή. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συνάφειας και των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές οάσεις και ιδιαίτερα σε συστήματα του κεραμικού οξειδίου του δημητρίου σε επαφή με ρευστά μέταλλα. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, στα πλαίσια του προγράμματος ΠΕΝΕΔ 2001 με τίτλο «ΧΥΤΕΥΣΗ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ: Πυροσυσσωμάτωση (sintering) κεραμικών καλουπιών και διεπιφανειακές τους αλληλεπιδράσεις σε επαφή με ρευστά κράματα μετάλλων», πραγματοποιήθηκε μία μελέτη της παραγωγικής διαδικασίας παρασκευής μεταλλικών αντικειμένων με τη μέθοδο της χύτευσης ακριβείας, η οποία οδήγησε στη βελτιστοποίηση των συνθηκών στα στάδια όπου είναι δυνατόν να δημιουργηθούν και να αναπτυχθούν ρωγμές στο κεραμικό κέλυφος (αποκέρωση. έψηση, χύτευση), ενώ επιπλέον διερευνήθηκαν οι διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις κεραμικού κελύφους ρευστών μεταλλικών φάσεων κατά τη χύτευση. οι οποίες επηρεάζουν το σχήμα και τις διαστάσεις του τελικού προϊόντος. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, προσδιορίσθηκε η θερμοκρασιακή εξάρτηση της επιφανειακής ενέργειας και της ενέργειας ορίων κόκκων του πολυκρυοσταλλιικού οξειδίου του δημητρίου (CeO2) σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και η διεπιφανειακή ενέργεια και το έργο συνάφειας σε συστήματα του κεραμικού CeO2 σε επαφή με ρευστό Cu, με εφαρμογή της τεχνικής εξισορρόπησης πολλαπλών φάσεων. Παράλληλα, από τη μελέτη της ανάπτυξης εσοχών στα όρια κόκκων του πολυκρυσταλλικού CeO2 προέκυψε ότι ο κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς μάζας κατά τη θερμική διάβρωση του κεραμικού είναι η επιφανειακή διάχυση και προσδιορίσθηκε ο αντίστοιχος συντελεστής επιφανειακής διάχυσης στο θερμοκρασιακό διάστημα 1473-1773Κ. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αποτυπώματος σκληρόμετρου υπολογίσθηκε ο συντελεστής δυσθραυστότητας του κεραμικού CeO2 και προσδιορίσθηκε η επιφανειακή ενέργεια του οξειδίου του δημητρίου σε θερμοκρασία δωματίου. Η συνεισφορά των ασθενών δiαμοριακών δυνάμεων Van der Waals (πολικών και διασποράς) στην επιφανειακή ενέργεια του πολυκρυσταλλικού CeO2 σε θερμοκρασία δωματίου προσδιορίσθηκε από πειράματα διαβροχής του κεραμικού σε επαφή με διάφορα πολικά υγρά. Με χρήση ενός συνδυασμού βιβλιογραφικών και πειραματικών δεδομένων σχετικά με τις επιφανειακές ενέργειες και τις γωνίες επαφής σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με διάφορα ρευστά μέταλλα εξήχθη μια εμπειρική σχέση η οποία, σε δεδομένη θερμοκρασία, συνδέει άμεσα την επιφανειακή ενέργεια των στερεών οξειδίων με την επιφανειακή ενέργεια των ρευστών μετάλλων και τη γωνία επαφής. Μέσω αυτής της σχέσης είναι δυνατή η εκτίμηση της επιφανειακής ενέργειας ενός στερεού οξειδίου ή της γωνίας επαφής σε μη διαβρέχοντα και μη αντιδρώντα συστήματα κεραμικών οξειδίων ρευστών μετάλλων, όπου η μερική διαλυτοποίηση οξυγόνου του κεραμικού μέσα στο ρευστό μέταλλο δεν επηρεάζει τις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος. Η σχέση αυτή επαληθεύθηκε για διάφορα συστήματα κεραμικών οξειδίων ρευστών μετάλλων και επιπλέον εφαρμόσθηκε για τον προσδιορισμό της επιφανειακής ενέργειας του πολυκρυσταλλικού οξειδίου του δημητρίου από τα αποτελέσματα πειραμάτων διαβροχής στο σύστημα CeO2 σε επαφή με ρευστό Sn. / Engineering ceramics are being considered for technological applications due to their strong and sometimes unique properties. The pronounced evolution in the quality of advanced engineering ceramics has stimulated interest in the combination of ceramics with metallic phases for ceramic joining purposes or for the manufacturing of composite materials with enhanced properties. In all this cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems and particularly in systems of polycrystalline ceria (CeO2) in contact with liquid metals. At the first part of this work, in framework of the PENED 2001 programs, the investment casting process was studied at the stages where fracture of the ceramic shell can occur (dewaxing, sintering, casting of liquid metal) in order to optimize the conditions of the production procedure. Moreover, the interactions at the ceramic shell / liquid metal interface which can affect the shape and dimensions of the final cast product were investigated. At the second part of the present work the multiphase equilibration technique has been used for the determination of the equilibrium angles that develop at the interphase boundaries of a solid-liquid-vapor system and the surface and interfacial energies in polycrystalline CeO2 and CeO2/Cu systems were determined in argon atmosphere at the temperature range 1473-1773 K. Linear temperature functions were obtained by extrapolation, for the surface energy and the grain-boundary energy of the ceramic, as well as for the interfacial energy and the work of adhesion of the CeO2/Cu system. Grain-boundary grooving studied on polished surfaces of CeO2 annealed in argon atmosphere at the same temperature range has shown that surface diffusion was the dominant mechanism for the mass transport and the surface diffusion coefficient has been estimated. Engineering ceramics are being considered for technological applications due to their strong and sometimes unique properties. The pronounced evolution in the quality of advanced engineering ceramics has stimulated interest in the combination of ceramics with metallic phases for ceramic joining purposes or for the manufacturing of composite materials with enhanced properties. In all this cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems and particularly in systems of polycrystalline ceria (CeO2) in contact with liquid metals. At the first part of this work, in framework of the PENED 2001 programs, the investment casting process was studied at the stages where fracture of the ceramic shell can occur (dewaxing, sintering, casting of liquid metal) in order to optimize the conditions of the production procedure. Moreover, the interactions at the ceramic shell / liquid metal interface which can affect the shape and dimensions of the final cast product were investigated. At the second part of the present work the multiphase equilibration technique has been used for the determination of the equilibrium angles that develop at the interphase boundaries of a solid-liquid-vapor system and the surface and interfacial energies in polycrystalline CeO2 and CeO2/Cu systems were determined in argon atmosphere at the temperature range 1473-1773 K. Linear temperature functions were obtained by extrapolation, for the surface energy and the grain-boundary energy of the ceramic, as well as for the interfacial energy and the work of adhesion of the CeO2/Cu system. Grain-boundary grooving studied on polished surfaces of CeO2 annealed in argon atmosphere at the same temperature range has shown that surface diffusion was the dominant mechanism for the mass transport and the surface diffusion coefficient has been estimated.

In a high competitive market, the development of new alloys, new applications, price pressure and increases in product forces quality wire manufacturers to ask for increased mechanical characteristics without losing conductivity. As a particular example, development of new copper alloys such as CuZr, CuSn, CuMg and CuAg have been developed for automotive cables. Continuous extrusion is currently the most prevalent manufacturing technology in terms of chemical composition, mechanical properties and electrical properties, resulting in the production of high quality rods. However, continuous casting has good potential to also be adapted to the mass production of various copper alloy wires. Comparison of the continuous casting process to other thermal methods such as continuous extrusion highlighted that, in general, the mechanical properties of continuous cast materials are lower than that of material from thermomechanical methods. However, continuously cast alloys rods are cheap to produce and simple to manufacture. So, the key aims of this research were (a) to increase the understanding of the solidification behaviour of some industrially important continuously cast non-ferrous alloys, (b) to define an increased range of alloys and downstream processing techniques which could be performed using continuous casting technology, (c) to determine improved continuous casting process validation capabilities and (d) to define new capabilities in terms of casting equipment. The majority of this PhD thesis was focused on improving the current continuous casting technologies and development of casting capability of a range of copper and non-copper alloys. The analysis in this PhD thesis illustrated that the metallurgical and mechanical properties of components mainly produced by continuous casting are acceptable, and that this method could be a replacement production method for materials such as lead alloys and various copper alloy rod, e.g. CuMg and CuAg. However, in the case of Deoxidized High Phosphorus (DHP) copper tubes, the performance of the as-cast material was significantly lower than that of from extrusion or planetary rolling process. This PhD thesis also makes comment on the parameters controlling the solidification process in order to improve the quality of as cast alloys rods/tubes. Using specific casting parameters, a significant difference based on tensile strength and elongation percentage has been illustrated, and it was found that these parameters could improve the mechanical properties of continuously cast copper rods and tubes. This significant difference is as a result only of the change in casting parameters, with no difference in the chemical composition of the material, or the general method of production. These parameters were (1) water flow rate, (2) casting speed, (3) pull distance, (4) melt temperature, (5) cleanout cycle, (6) continuous casting direction and (7) super-cooler size. The new knowledge created and understanding gained during the course of this research improved the company’s capability in the marketplace, enabling it to supply equipment with improved competitive capabilities and the potential to enter new markets, leading to sales growth in existing sectors and significant longer-term growth into new technically challenging application areas.

Lors de la solidification d'un alliage métallique, des hétérogénéités de composition en éléments d'alliage et des hétérogénéités de taille des structures apparaissent. La modélisation est un outil précieux dans la maitrise de la formation de ces hétérogénéités, qui sont incompatibles avec les exigences industrielles. Au niveau international, le code de calcul SOLID est l'unique code de solidification permettant la prise en compte simultanée de la germination, de la croissance et du transport des grains, de la convection naturelle et du retrait à la solidification à l'échelle industrielle. Le travail de thèse a pour but d'améliorer la description du couplage de la germination et de la croissance des grains dans ce modèle. La diffusion solutale, qui contrôle la croissance des grains, est ainsi modélisée par une longueur de diffusion prenant en compte à la fois l'avancée de l'interface grain-liquide et la convection de la phase liquide. A l'échelle microscopique, une troisième phase est également ajoutée afin d'améliorer la prédiction de la croissance des grains, notamment du développement de leur morphologie. Le modèle permet de prédire quantitativement la compétition entre germination et croissance à l'échelle microscopique. Le modèle est ensuite appliqué à des cas de coulée en lingot fixe et de coulée semi-continue afin d'étudier le couplage entre germination et croissance à l'échelle macroscopique, en présence de transport à la fois des grains, des germes et du soluté. Les prédictions du modèle sont comparées à des mesures expérimentales et permettent de mettre en évidence l'importance du transport, non seulement des grains mais également des germes, dans la formation des hétérogénéités. La prise en compte de la dendritisation des grains au cours de la solidification modifie également de façon importante les prédictions, même lorsque leur morphologie finale est globulaire / During solidification of metallic alloy, heterogeneities of solute composition and microstructure size appear. Mathematical models are valuable tools in the understanding and the control of the formation of these heterogeneities, which are incompatible with industrial requirements. Worldwide, SOLID is the only solidification model that simultaneously accounts for inoculation, the growth and motion of grains, natural convection and solidification shrinkage. The aim of this thesis is to improve the modelling of the coupling of nucleation and grain growth in this model. The solute diffusion, which controls the grain growth, is modelled by a diffusion length that takes into account both the motion of the solid-liquid interface and the convection of the liquid. At the microscopic scale, a third phase is added in order to improve the prediction of the growth of grains, particularly of the development of their morphology. The model can quantitatively predict the competition between the nucleation on inoculant particles and the grain growth at the microscopic scale. The model is applied to solidification of a static ingot and to direct chill casting in order to study the inoculation-growth coupling at the macroscopic scale. At this scale, the transport of the grains, of inoculant particles and of solute are all considered and are fully coupled. Comparisons of the model predictions to experimental measurements show the fundamental role of the transport of inoculants and of grains in the formation of the heterogeneities. The consideration of the development of dendritic grain morphologies considerably influences the predictions, even when their final morphology is globular

Le procédé industriel TEL permet de fabriquer de la laine de verre en fibrant du verre en fusion. La pièce principale de ce procédé est « l’assiette de fibrage », qui est soumise à de nombreuses contraintes en service (oxydation, corrosion, érosion et fluage). Elle est actuellement élaborée par fonderie et réalisée en superalliage base nickel ou base cobalt. Fibrer de nouveaux types de verre impliquant des températures de travail plus élevées nécessite un nouveau type de superalliage. Le chrome est un candidat idéal pour être l’élément principal d’une assiette de par sa haute température de fusion et de par la résistance qu’il apporte aux superalliages usuels contre l’oxydation et la corrosion grâce à la formation d'une couche de chromine continue à la surface des alliages. Durant ces travaux de doctorat, une centaine d'alliages base chrome de compositions différentes ont été réalisés par fonderie. La découpe de tels alliages a montré un fort manque de ductilité à température ambiante. Des tests de dureté à température ambiante, d'oxydation et de fluage à haute température ont été menés. Une caractérisation métallographique complète a été réalisée sur ces alliages (DRX, MEB, microsonde de Castaing) à l'état brut de coulée, après recuit isotherme et après oxydation isotherme. L’étude approfondie d’alliages simples a permis de découvrir des compositions permettant de régler le problème de fragilité. Les alliages ont ensuite été complexifiés avec l'ajout d'autres éléments, permettant alors de corriger certains problèmes inhérents à des alliages à base de chrome. / The TEL process is used to produce glass wool at very high temperature. The main piece of this process is the “spinner”, which is exposed, in service, to numerous operating constraints (oxidation, corrosion, erosion and creep). This spinner is currently made of cobalt- or nickel-based superalloys and is fabricated by casting. To fiberize new glasses or to increase the current maximal fiberizing temperature, a new type of superalloy is required. Chromium is an ideal candidate to be the principal element of a new superalloy because of its very high melting point and its ability to develop a chromia protective scale against oxidation and corrosion at high temperature, reason for which it is usually added to many classical superalloys. During this Ph.D work, the synthesis and the study of more than a hundred of chromium-based alloys with different chemical compositions was done by casting. These alloys are brittle at room temperature during their cutting. Laboratory tests of hardness at room temperature, oxidation and 3 points flexural creep at high temperature were performed. Metallographic characterisations were carried out (XRD, SEM, EPMA) on all alloys in their as-cast state, after isothermal annealing or isothermal oxidation. The detailed study of simple alloys permitted to discover some compositions removing the brittleness problem of these alloys. Then, the enrichment of the composition of the alloys by addition of new elements, allowed to correct some inherent problems of chromium-based alloys.

L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'optimiser le processus de fabrication des mousses métalliques et le comportement thermique du matériau de la mousse d'aluminium/matériau de changement de phase (MCP) par des méthodes expérimentales et numériques. Le processus d’élaboration de la mousse d’aluminium à pore ouvert est développé et optimisé pour contrôler précisément les paramètres de fabrication. Deux modèles de mousse d'aluminium à haute porosité (MAHP)/MCP composite et à faible porosité (MALP)/MCP composite sont établis pour la simulation numérique. En simulant le processus de fusion d'un système de stockage d'énergie, les composites MAHP/MCP et MALP/MCP sont comparés numériquement afin d'évaluer la performance de stockage d'énergie thermique. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium améliore nettement le processus de transfert de chaleur dans MCP en raison de sa haute conductivité thermique. La porosité des mousses d'aluminium influence non seulement le processus de fusion du composite mais aussi la performance de stockage d'énergie thermique. Grâce à la collaboration avec EPF, une nouvelle méthode d’élaboration des mousses périodiques d'aluminium à pore ouvert est développée dans cette thèse sur la base d’impression 3D. Le comportement thermique des mousses d'aluminium périodiques à pore ouvert/MCP est analysé expérimentalement et numériquement / The objective of this thesis is to study and optimize the manufacturing process of metal foams and the thermal behavior of the aluminum foam/phase change material (PCM) composite by experimental and numerical methods. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is developed and optimized to precisely control the parameters of mufacturing. Two pore-scale models of high porosity aluminum foams (HPAF)/PCM composite and low porosity aluminum foams (LPAF)/PCM composite are established for numerical simulation. By simulating the melting process of a layer energy storage system, the HPAF/PCM and LPAFS/PCM composite are compared numerically in order to evaluate the energy storage performance. The results show that aluminum foam improves greatly the heat transfer process in PCM due to its high thermal conductivity. The porosity of aluminum foams could not only influence the melting process of composite but also the energy storage performance. Thanks to the collaboration with EPF, a new manufacturing method of periodic open-cell aluminum foams is developed based on 3D rapid tooling. The thermal behavior of the periodic open-cell aluminum foams/PCM composite is experimentally and numerically analyzed

Les fours de maintien à induction sous vide sont utilisés pour la fabrication d'aubes de turbine à l'aide du procédé de fonderie à cire perdue. La maîtrise de la thermique de ce dernier est primordiale afin d'assurer la qualité de la production. Ce travail est composé de 3 grandes parties : la modélisation détaillée du four, la modélisation réduite et l'expérience. Un four axisymétrique et sa charge ont été modélisés numériquement à l'aide des logiciels FlexPDE et COMSOL Multiphysics. Ces modèles utilisent en entrée la puissance consommée par les inducteurs et fournissent en sortie la température en tout point du module de chauffe et de la charge. Les modèles réduits étudiés sont des modèles physiques dit convolutifs (enthalpique (0D), analytique de dimension 1 (1D)) et paramétrique de type AutoRégressifs avec variables eXogènes (ARX). Les modèles ARX ont été comparés aux modèles convolutifs (procédures d'identification, puis de validation, de modèles). L'objectif est d'accéder à des températures en certains points du four sans présence d'un capteur physique local (capteur virtuel). Les modélisations détaillées et réduites ont été comparées à des expériences réalisées sur four de production. Cette dernière partie n'est pas décrite dans ce mémoire / Vacuum holding induction furnaces are used for the manufacturing of turbine blades by loss wax foundry process. Heat transfer control in a holding furnace is crucial to ensure the quality of manufacturing. This work has 3 major parts, which are the detailed modelling, reduced modelling and experiments. An axyisymmetric furnace and its load have been numerically modelled using FlexPDE and COMSOL Multiphysics, finite element codes. Modelling takes as inputs the electric power consumed by inductors and gives the temperature field in the heating module. The studied reduced models are phyisical convolutive models (enthalpic (0D), 1 dimension analytical (1D)) and parametric like AutoRegressive with eXogeneous inputs (ARX). ARX models have been compared to convolutive models (identification, validation). The goal is to get temperatures in the heating module without local presence of physical sensors (virtual sensor). Detailed and reduced models have been compared to experiments on the furnace. This last part is not described in this document