Afin de clarifier et caractériser les mécanismes fondamentaux de formation des réseaux étendus cellulaires et dendritiques en régime diffusif, des expériences de solidification dirigée permettant l’observation in situ en temps réel de l’interface solide-liquide d’un alliage transparent ont été réalisées dans l’instrument « DECLIC-DSI» à bord de la Station Spatiale Internationale. Des procédures spécifiques d'analyse d'images ont été développées pour caractériser les réseaux et extraire des données de référence à comparer aux modèles théoriques ou numériques. Les mécanismes d’évolution et de sélection de l'espacement primaire sont décrits et reliés à la courbure macroscopique de l'interface qui apparait comme un paramètre important de la dynamique de réseau. L’obtention de réseaux homogènes étendus nous a permis d'observer des instabilités secondaires du régime cellulaire pour la première fois dans des systèmes tridimensionnels: Oscillation et multiplet structure. Nos analyses mettent en évidence l'absence de cohérence globale de l’oscillation, exceptée dans des zones localement ordonnées dans lesquelles les oscillations de cellules voisines peuvent être synchronisées. Dans une autre gamme de paramètres de contrôle, la formation de multiplets -autre type d'instabilité secondaire- a été observée. La structure et la dynamique de ces multiplets est décrite. Enfin, des essais comparatifs ont été réalisés au sol, pour les mêmes paramètres de croissance, afin de clarifier l'influence de la convection. Les différences entre les expériences au sol et en microgravité, en particulier concernant l'espacement primaire, sont reliées à l'amplitude de la convection. / To clarify and characterize the fundamental physical mechanisms active in the formation of three-dimensional (3D) arrays of cells and dendrites, in situ monitoring of series of experiments on a transparent alloy was carried out under low gravity in the DECLIC-DSI on-board the International Space Station. Image analysis procedures have been developed to characterize the patterns and get benchmark data to compare with theoretical or numerical modelling. The mechanisms of primary spacing evolution and selection are described and related to the macroscopic interface curvature that appeared to be a critical parameter. The extended homogeneous patterns obtained in microgravity enabled us to observe secondary instabilities of the cellular pattern for the very first time in 3D patterns: cell oscillation and multiplet structure. Our analyses highlight the absence of global coherence of cell oscillations, except in locally ordered areas where synchronization of neighbor cells may happen. In another range of control parameters, another type of secondary instability has been identified that corresponds to multiplet formation; the structure and dynamics of those multiplets are also described. Finally, comparative experiments have been performed on ground with similar growth parameters to point out the influence of convection. The differences between ground and microgravity results, especially regarding the primary spacing, are related to fluid flow magnitude.

Le développement des structures de grains se formant durant les procédés de soudage par fusion a un large impact sur les propriétés et la résistance mécaniques des assemblages. Des défauts, tels que la fissuration à chaud, sont aussi liés à la texturation de grains propre à l'étape de solidification. La simulation directe du développement tri-dimensionnelle (3D) des structures de grains dans ces procédés, à l'échelle industrielle, est rarement proposée. Dans ce travail, une modélisation couplée 3D Automate Cellulaire (CA) – Eléments Finis (FE) est proposée pour prédire la formation des structures de grains dans les procédés de soudage multipasses GTAW (Gas Metal Arc Welding) et GMAW (Gas Metal Arc Welding). A l'échelle macroscopique, la modélisation FE permet la résolution des équations de conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement pour l'ensemble du domaine en s'appuyant sur un maillage adaptatif. Pour le procédé GMAW avec apport de matière, le modèle FE est enrichi et développé dans une approche level set (LS) afin de modéliser l'évolution de l'interface métal / air due au développement du cordon de soudure. Le domaine FE contient ainsi la pièce étudiée et l'air environnant dans lequel le cordon se développe. Les calculs FE sont couplés avec l'approche CA utilisée pour modéliser le développement de la structure de grains. Un maillage fixe (‘maillage CA') est superposé au maillage adaptatif FE (‘maillage FE'). Les champs macroscopiques propres au maillage FE sont ainsi interpolés entre le maillage adaptatif FE et le maillage fixe CA. Une nouvelle stratégie d'allocation / désallocation de la grille de cellules CA est ensuite utilisée basée sur l'allocation / désallocation des éléments du maillage CA. La grille CA est constituée d'un ensemble régulier de cellules cubiques superposées au domaine soudée. A l'échelle micro-, la grille est utilisée afin de simuler les étapes de fusion et solidification, à la frontière entre le domaine pâteux et le bain liquide, durant le processus de soudage. Les évolutions de températures des cellules sont définies par interpolation du maillage CA. Un couplage du modèle avec les chemins de solidification et les évolutions enthalpiques tabulés est aussi implémenté, permettant de suivre la thermique et les évolutions de fractions de phase propre à l'évolution du procédé. Avec de réduire les temps de calcul et la quantité de mémoire informatique nécessaire à ces simulations, une optimisation des maillages FE/CA et des tailles de cellules CA est proposée pour les deux approches FE et CA. La modélisation 3D proposée est appliquée à la simulation de la formation des structures de solidification formées durant le soudage GTAW et GMAW multipasses de pièces d'acier inoxydables de nuances UR 2202. Dans le procédé GTAW, l'influence de l'évolution des structures de grains selon les paramètres procédés est étudiée. L'orientation normale des grains avec l'augmentation de la vitesse de soudage est montrée. Dans le procédé GMAW, la modélisation permet de simuler la refusion et la croissance des grains des couches successives. De manière générale, les structures de grains prédites montrent qualitativement les évolutions attendues présentées dans la littérature. / Grain structure formation during fusion welding processes has a significant impact on the mechanical strength of the joint. Defects such as hot cracking are also linked to the crystallographic texture formed during the solidification step. Direct simulation of three-dimensional (3D) grain structure at industrial scale for welding processes is rarely modeled. In this work, a 3D coupled Cellular Automaton (CA) – Finite Element (FE) model is proposed to predict the grain structure formation during multiple passes Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) and Gas Metal Arc Welding (GMAW). At the macroscopic scale, the FE model solves the mass, energy and momentum conservation equations for the whole system based on an adaptive mesh. For GMAW with metal addition, the FE model is enriched and established in a level set (LS) approach in order to model the evolution of the metal/air interface due to the weld bead development. The FE domain then contains the workpiece and the surrounding air where the weld bead forms. FE computations are coupled with the CA approach used to model the grain structure evolution. A fixed mesh, referred to as CA mesh, is superimposed to the adaptive FE mesh. FE fields are interpolated between the adaptive FE mesh and the fixed CA mesh. A new dynamic allocation/deallocation strategy of a CA grid of cells is then used based on the dynamic activation/deactivation of the elements of the CA mesh. The CA grid is made of a regular lattice of cubic cells superimposed onto the welded domain. At the micro scale, this grid is used in order to simulate the melting and solidification steps at the boundaries between the mushy domain and the liquid pool during the welding process. The temperature evolutions of the cells are computed by interpolation from the CA mesh. Coupling with tabulated transformation paths and phase enthalpy is also implemented, which permits to track the phase amount and latent heat release during the process. In order to master the resolution time and memory cost of the simulations, a management of the FE/CA mesh dimensions and CA cell size is considered for both FE and CA models. The 3D CAFE model is applied to simulate the formation of solidification structures during multiple passes GTAW and GMAW processes on a duplex stainless steel UR 2202. In GTAW, the evolution of the grain structures with respect to the welding process parameters is considered. The normal orientation of the grains with the increase of the heat source velocity is shown. In GMAW, the model is shown to compute the remelting and growth of successively deposited layers. Overall, the predicted structures qualitatively reveal the expected evolutions presented in the literature.

Nous étudions numériquement la solidification directionnelle d'un alliage binaire à base de succinonitrile. Pour cela, nous développons un code s'appuyant sur le formalisme du champ de phase adapté au cas de la croissance dans des lames minces. Les résultats numériques obtenus sont comparés qualitativement et quantitativement avec les observations expérimentales. Une bonne confirmation des lois expérimentales et de nouvelles informations sur la dynamique des microstructures sont obtenues.La direction de croissance est généralement limitée par deux axes : l'axe cristallin principal et la direction du gradient thermique. Une première partie de la thèse porte sur l'étude des effets de la désorientation de l'axe cristallin sur la direction de croissance des structures et sur leurs morphologies. Nos résultats sont directement comparés à la loi expérimentale qui donne la réponse en orientation des microstructures sur l'ensemble de leur domaine d'existence en fonction du nombre de Péclet. Nous obtenons un accord très satisfaisant entre simulation et expérience. Dans la seconde partie de la thèse, une instabilité oscillante (mode 2λ − O) est étudiée en se basant sur le diagramme de stabilité expérimental. Dans ce mode deux cellules voisines oscillent en opposition de phase en largeur et en hauteur. Nos simulations reproduisent ce mode oscillant dans des lames minces et permettent une comparaison quantitative avec les expériences. Le régime des oscillations forcées est notamment exploré pour obtenir des informations sur la réponse en fréquence du système. / We report on a numerical study of directional solidification in thin samples of succinonitrile-based dilute alloy. This thesis is based on 3D phase-field simulations. Numerical results are compared qualitatively and quantitatively with experimental observations. The comparison gives a good confirmation of the experimental laws, while providing new information on the dynamics of microstructures. Growth direction of the microstructure is constrained by two axes : the main crystal axis and the direction of the thermal gradient. Simulations allow us to test the variations of the growth direction and the microstructure stability at various misorientation angles. Our results are directly compared with the experimental law that gives the microstructure orientation response in a large domain of Péclet numbers. We obtain a good agreement, both on qualitative and quantitative grounds, between experiments and 3D simulations.In the second part of this manuscript, an oscillatory instability (2λ − O mode) is numerically studied. This mode involves oscillations of both cell width and cell tip position. This instability is reproduced in numerical simulations with the aim of allowing a fine and relevant comparison with experiments of the domain of existence and the periods of oscillation. In particular, the forced oscillation regime is explored to obtain information on the frequency response of the system.

Les panneaux photovoltaïques ont pris ces dernières années une place importante dans le secteur de l’énergie. Les performances de ces panneaux dépendent notamment de la qualité et de l’homogénéité du silicium utilisé et des impuretés qu’il contient. Pour obtenir du silicium photovoltaïque, on peut utiliser un procédé de solidification dirigée afin d’obtenir un lingot de silicium de grade photovoltaïque à partir de silicium de grade métallurgique. Cette approche reste aujourd’hui difficile à simuler efficacement en raison de l’aspect multi-échelle du procédé et du suivi de l’interface mobile avec des transferts de masse et de chaleur à l’interface solide/liquide. Cette thèse présente la mise en œuvre d’une méthode originale de maillage glissant proposée pour réaliser un suivi adaptatif de l’interface mobile, afin d’améliorer l’efficacité des simulations. Dans un premier temps, la modélisation de la solidification dirigée d’un corps pur avec un tel maillage glissant est validée à l’aide d’une solution analytique dans une configuration diffusive de référence. L’impact de la méthode proposée est ensuite étudié dans une configuration de type Bridgman vertical en présence de convection naturelle dans la phase liquide. Dans un second temps, on s’intéresse à la ségrégation des impuretés dans cette même configuration. Pour cela, on propose une modélisation spécifique du rejet d’impuretés à l’interface, et on étudie l’impact sur les simulations de la méthode de maillage glissant proposée. Les résultats et les gains de performance pour les simulations sont discutés en faisant varier des paramètres de calcul et par comparaison avec des données de la littérature. / In recent years, photovoltaic panels took a key role in the energy sector. The efficiency of these panels depends notably on the quality of the processed silicon ingots and on their homogeneity regarding the impurities they include. In order to process photovoltaic silicon, one can use a directional solidification process to obtain a solar grade silicon ingot from a metallurgical grade silicon feedstock. This approach is still nowadays hard to simulate with efficiency because of the multi-scales aspects of the process and because of the front tracking of the interface, where some heat and mass transfer occurs. This thesis presents the implementation of an original moving mesh method, proposed in order to perform an adaptive front tracking of the moving interface. The aim is to improve the efficiency of the numerical simulations. In a first time, the directional solidification model of a pure substance with such a moving mesh is validated against an analytical solution based on a purely diffusive reference configuration. The influence of the proposed method is then studied on a vertical Bridgman configuration with natural convection in the liquid phase. In a second time, the segregation of impurities is considered in the same configuration. For this study, a specific model for the rejection of impurities is proposed at the solid/liquid interface, and the influence of the proposed moving mesh method on the results is as well explored. Finally, the results and the performance improvements for the numerical simulations are discussed through variations of the calculation parameters and through comparisons against data from the literature.

La croissance dendritique est calculée en utilisant un modèle champ de phase avec adaptation automatique anisotrope et non structurées d’un maillage éléments finis. Les inconnues sont la fonction champ de phase, une température adimensionnelle et une composition adimensionnelle, tel que proposé par [KAR1998] et [RAM2004]. Une interpolation linéaire d’éléments finis est utilisée pour les trois variables, après des techniques de stabilisation de discrétisation qui assurent la convergence vers une solution correcte non-oscillante. Afin d'effectuer des calculs quantitatifs de la croissance dendritique sur un grand domaine, deux ingrédients numériques supplémentaires sont nécessaires: un maillage adaptatif anisotrope et non structuré [COU2011], [COU2014] et un calcul parallèle [DIG2001], mis à disposition de la plateforme numérique utilisée (CimLib) basée sur des développements C++. L'adaptation du maillage se trouve à réduire considérablement le nombre de degrés de liberté. Les résultats des simulations en champ de phase pour les dendrites pour une solidification d'un matériau pur et d’un alliage binaire en deux et trois dimensions sont présentés et comparés à des travaux de référence. Une discussion sur les détails de l'algorithme et le temps CPU sont présentés et une comparaison avec un modèle macroscopique sont faite. / Dendritic growth is computed using a phase-field model with automatic adaptation of an anisotropic and unstructured finite element mesh. Unknowns are the phase-field function, a dimensionless temperature and a dimensionless composition, as proposed by [KAR1998] and [RAM2004]. Linear finite element interpolation is used for all variables, after discretization stabilization techniques that ensure convergence towards a correct non-oscillating solution. In order to perform quantitative computations of dendritic growth on a large domain, two additional numerical ingredients are necessary: automatic anisotropic unstructured adaptive meshing [COU2011], [COU2014] and parallel implementations [DIG2001], both made available with the numerical platform used (CimLib) based on C++ developments. Mesh adaptation is found to greatly reduce the number of degrees of freedom. Results of phase-field simulations for dendritic solidification of a pure material and a binary alloy in two and three dimensions are shown and compared with reference work. Discussion on algorithm details and the CPU time are outlined and a comparison with a macroscopic model are made.

L'objectif de cette étude est de comprendre l'influence du silicium sur la microstructure d'alliages base TiAl. En effet, de faibles additions de silicium peuvent améliorer la tenue à chaud de ces intermétalliques. Nous montrons que le silicium a tendance à ségréger fortement durant la solidification, à l'échelle microscopique, provoquant l'apparition de siliciures primaires dans les zones interdendritiques. Après étude de cette ségrégation, nous avons procédé à des traitements thermiques d'homogénéisation afin d'étudier quantitativement les transformations solide-solide ayant lieu dans ces alliages. Ainsi, nous avons pu observer la précipitation de siliciures aux interfaces gamma/alpha2 dans des structures lamellaires homogènes. Mais, la structure lamellaire tend à se modifier en même temps que les siliciures germent et croissent. Les liens entre ces deux transformations simultanées sont mis en évidence expérimentalement, avant d'être modélisés à partir d'hypothèses simples. La réalisation d'essais mécaniques sur des microstructures contrôlées permet, en guise de conclusion, de donner des tendances quant à l'influence du silicium sur le comportement à chaud des alliages TiAl / The goal of this study is the understanding of the influence of silicon on the microstructure of TiAl-based alloys. Small additions of silicon are actually known to improve the heat resistance of these intermetallics. It is shown here that silicon segregates strongly at the microscopic scale during solidification, leading to the apparition of primary silicides in the interdendritic regions. After a study of this segregation, homogenization heat treatments were performed in order to focus on a quantitative study of the solid-solid transformations occuring in these alloys. Thus, silicide precipitation was observed at the gamma/alpha2 interfaces in homogeneous lamellar structures. However, the lamellar structure undergoes its own evolution as the silicides nucleate and grow. The links between these simultaneous transformations are shown by our experimental results, then modelled through simple considerations. As a conclusion, mechanical tests on controlled microstructures give some trends on the influence of silicon on the high temperature mechanical properties of TiAl alloys

Il est maintenant avéré que la plupart des grands corps magmatiques sont construits par amalgamation d’intrusions plus petites. Ces incréments sont pour la plupart des sills, qui sont considérés comme les briques élémentaires des corps magmatiques plus grands. Malgré de nombreuses études, certains aspects de la mise en place des plutons sont encore mal compris : aucun modèle ne contraint leur taille et on ne sait toujours pas comment l’encaissant se déforme lors de leur mise en place incrémentale. La taille des réservoirs magmatiques, construits par injections répétées de magma, dépend de la taille des sills qui le constituent, et notamment de l’extension latérale de ces sills. Cette extension latérale pourrait être contrôlée par la solidification du magma lors de la mise en place du sill. Des expériences analogiques de laboratoire ont donc été réalisées afin de quantifier les effets de la solidification sur 1) la formation des sills et 2) la dynamique de propagation, la géométrie et la taille des sills. De l’huile végétale chaude, analogue du magma se solidifiant lors de sa propagation, est injectée dans un solide de gélatine plus froid, analogue des roches encaissantes. Le premier set d’expérience montre qu’avec l’augmentation des effets de la solidification, différents types d’intrusions sont observés (dykes traversant l’interface, sills et dykes stoppés à l’interface). Contrairement à des expériences où le refroidissement ne peut pas affecter la formation des sills, la présence d’une interface a priori mécaniquement favorable n’est donc pas suffisante pour former un sill ; les effets de la solidification restreignent la formation des sills. Le second set d’expérience montre deux comportements extrêmes pour la dynamique de propagation et la géométrie des sills. Quand les effets de la solidification sont faibles, la propagation du sill est continue et leur surface est lisse et régulière. A l’inverse, quand les effets sont forts, la propagation est discontinue et la géométrie des sills est complexe (e.g. lobes et surfaces cordées). De plus, des effets de la solidification plus importants entraînent des surfaces de sills plus faibles : en restreignant l’extension latérale des sills, le refroidissement du magma et la solidification sont susceptibles d’impacter directement la taille des plutons construits par amalgamation de sills. Les grandes déformations induites par la mise en place incrémentale des plutons sont encore mal comprises. Les modèles actuels négligent généralement les rhéologies cassantes et plastiques observées sur le terrain. Dans un premier temps, une mission de terrain dans les Henry Mountains (Utah, USA) a été réalisée afin de mieux comprendre les déformations entourant trois intrusions de tailles différentes : le Maiden Creek Sill, le Trachyte Mesa Laccolith et le Black Mesa Bysmalith. L’intensité de la déformation, la réduction de porosité et l’augmentation de microstructures liées à une forte déformation sont positivement corrélées. L’intensité de ces paramètres augmente à l’approche du contact encaissant / intrusion, et est plus marquée pour les contacts latéraux que pour les contacts supérieurs et inférieurs. Plus la taille de l’intrusion est importante, plus l’encaissant situé sur les côtés est déformé sur une grande distance. En revanche, la déformation observée au sommet du bysmalite est peu étendue, ce qui est dû à la présence d’une faille ayant permis une translation de l’encaissant plutôt que sa déformation importante. Dans un deuxième temps, des expériences analogiques de laboratoire multi-injections ont été effectuées pour essayer de mieux caractériser ces déformations. Ces expériences permettent d’observer la création d’un corps principal constitué de plusieurs sills empilés les uns sur les autres, par sur ou sous-accrétion. L’extension latérale de ce corps principal est fortement contrainte par la taille du premier sill mis en place. (...) / It is now accepted that the majority of large magma bodies is constructed by amalgamation of smaller magmatic intrusions. These increments are mostly sills and are thought as building blocks for larger magma bodies. Despite numerous studies, some aspects of their emplacement are still misunderstood: no model exists to constrain the size of plutons and we still do not know how the host rock is deformed during their incremental emplacement. The size of magma reservoirs, constructed by repeating magma pulses, depends on the size of the sills that built them, especially the lateral extend of these sills. This lateral extend could be controlled by solidification during sill emplacement. Analogue experiments have thus been carried out to quantify the effects of magma solidification on 1) sill formation and 2) sill propagation dynamics, geometry and size. Hot liquid vegetable oil, the magma analogue that solidifies during its propagation, is injected in a layered colder gelatine solid, the host rock analogue. A first set of experiments shows that as solidification effects increase, several types of intrusions are observed (dykes passing through the interface, sills, and dykes stopping at the interface). Contrary to isothermal experiments, where cooling cannot affect sill formation, the presence of an interface that would be a priori mechanically favorable is not a sufficient condition for sill formation; solidification effects restrict sill formation. A second set of experiments shows two extreme behaviours for sill propagation dynamics and geometry. When solidification effects are small, the propagation is continuous and sills have a regular and smooth surface. Conversely, when solidification effects are important, sill propagation is discontinuous and their geometry is complex (e.g. lobes and ropy structures). Moreover, higher solidification effects induce smaller sill surfaces; in restricting the lateral extent of sills, magma cooling and solidification are likely to impact directly the size of plutons constructed by amalgamated sills. The large deformations induced by incremental pluton emplacement are still misundurstood. Current models usually neglect brittle and plastic rheology, which are observed in the field. Firstly, a field study has been realized in the Henry Mountains (Utah, USA), in order to better understand the deformations around three intrusions of increasing size: the Maiden Creek Sill, the Trachyte Mesa Laccolith and the Black Mesa Bysmalith. The intensity of the deformation, the porosity reduction and the augmentation of microstructures related to large deformation are positively correlated. The intensity of these parameters increases as one gets closer to the host rock / intrusion contact, and is more important for lateral contacts than upper ones. Larger intrusions induce lateral deformation of the host rock over larger distances. However, the deformation at the top of the bysmalith is localized because of a fault allowing the translation of the host rock instead of an intense deformation. Secondarily, analogue laboratory experiments involving multiple injections have been carried out in order to better understand these deformations. The creation of a main body, made of multiple stacked sills emplaced by under or over-acretion can be observed. The lateral extent of this main body is highly dependant on the size of the first sill emplaced. However, the experimental dificulties and the mechanical properties of the gelatine as a crustal analogue limit the usefulness of these experiments.

Ce travail porte sur l’étude d’alliages à base prédominante employés en prothèse fixée dentaire (Co-Cr, Colado CC® et Ni-Cr, Colado NC®). La microstructure, la structure, la composition chimique, la dureté et le module d’élasticité de ces alliages ont été étudiés. Une analyse du chemin de solidification et du comportement en microségrégation a été réalisée. L’influence des recoulées a ensuite été analysée. Cinq coulées successives ont été réalisées dans différentes proportions d’alliage neuf (0, 25, 50 et 75 et 100%). La microstructure dendritique est constante au cours des recoulées, comme la large taille des grains. La composition chimique des alliages ne varie pas significativement, aussi bien dans les régions dendritiques qu’interdendritiques. La présence de particules d’Al2O3 a été observée sur les échantillons de Ni-Cr. La structure des alliages étudiés a été déterminée : elle est stable quel que soit le nombre de coulées. Les alliages présentent des valeurs de dureté diminuées lorsque les pourcentages de porosité augmentent tout en respectant le cadre normatif. Tous les échantillons testés répondent aux conditions normatives en termes de modules d’élasticité. Les recoulées n’ont pas d’influence sur le chemin de solidification des alliages ni sur les phases en présence. / This study deals with microstructural, structural, chemical and mechanical properties of two predominantly based dental alloys (Co-Cr, Colado CC® and Ni-Cr, Colado NC®). Cast alloys are characterized to analyze microstructure, structure, composition stability, hardness and elastic modulus. Solidification path was determined and microsegregation has been characterized. Influence of recasting has next been studied. Five times recasted alloys in different amounts were processed (0, 25, 50 and 75% of new alloy). It was demonstrated that the examined alloys are characterized by a dendritic microstructure with a large grain size, typical of the cast materials. No notable degenerative changes in microstructure were observed. Al2O3 particles were characterized on Ni-Cr alloy. Occurrence of porosities significantly increase in recast samples but remains clinically acceptable. Alloys demonstrated great compositional stability after 5 recasts. A significant decrease in Vickers hardness values appeared in the fourth recast in both alloys. Alloys showed no significant variation in term of modulus of elasticity, although a slight tendency decrease was observed. The main phase encountered is a face centered cubic solid solution. Secondary phases were identified. Number of recasting demonstrated to have negligible effect on phase identification and on solidification path.

Les implants de corps humain biocompatibles à base de Ti de faible module de Young et sans élèments toxiques sont développés dans deux régimes de matériaux, les alliags cristallins à base de Ti-Nb(-Sn) et les alliages amorphes à base de Ti -Fe -Si. Une série d'alliages à base de Ti-Nb(-Sn) a été synthétisée par une aspiration coulée par la moule de cuivre et soumis à différents traitements thermiques (refroidissement du four ou trempe à l'eau). La microstructure, les propriétés thermiques et mécaniques des échantillons traités telles que la coulée et la chaleur ont été étudiées. On montre que l'addition de Sn augmente la stabilité de la phase β. Les modules de Young de ces alliages ont été également mesurés avec des mesures par ultrasons. Les alliages Ti74Nb26 trempés à l'eau avaient le plus faible module de Young. L'addition de Sn a peu d'impact sur le module de Young des alliages Ti-Nb. Les alliages amorphes à base de Ti- Fe-Si ont été synthétisés par filage à l'état fondu. La capacité de formation des verres, les propriétés thermiques et les propriétés de corrosion des alliages à base de Ti- Fe-Si ont été étudiées. La composition vitreuse a été conçue en fonction de la règle de l'eutectique profond. On a constaté que la région la plus proche du point eutectique ternaire(Ti65Fe30Si5) est une région quasi-cristalline icosaédrique, tandis que le côté plus raide (Si côté riche) de ce point eutectique ternaire est la région de formation de verre. L'effet de L'addition élémentaire mineur (Ge, Pd, Zr) sur la capacité de formation de verre des alliages à base de Ti- Fe-Si a été également étudié. L'observation in situ d'amorphisation des alliages vitreux Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 en faisceau synchrotron a été effectuée. L'alliage a été vitrifié avec succès dans un appareil à sustentation aérodynamique. / The Ti-based biocompatible human body implants of low Young's modulus and without toxic elements are developed in two regime of materials, crystalline Ti-Nb(-Sn) based alloys and amorphous Ti-Fe-Si based alloys. A series of Ti-Nb(-Sn) alloys were synthesized by copper mould suction casting and subjected to different heat treatments (furnace cooling or water quenching). The microstructure, thermal and mechanical properties of the as-cast and heat treated samples were investigated. It is shown that the addition of Sn increases the stability of the β phase. The Young's moduli of these alloys were also measured by ultrasonic measurements. Water-quenched Ti74Nb26 alloy was found to exhibits the lowest Young's modulus. Sn addition has little impact on the Young's moduli of the TiNb alloys. The Ti-Fe-Si based amorphous alloys were synthesized by melt spinning. The glass forming ability, thermal properties and corrosion properties of Ti-Fe-Si based alloys were investigated. The glassy compositions were designed according to the deep eutectic rule. It was found that the region near ternary eutectic point (Ti65Fe30Si5) is an icosahedral quasicrystal forming region, whereas the steeper side (Si rich side) of this ternary eutectic point is the glass forming region. Effect of minor elemental addition (Ge, Pd, Zr) on glass forming ability of the Ti-Fe-Si based alloys was also studied. The in situ observation of amorphization of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 glassy alloy in synchrotron beam was conducted. The alloy was successfully vitrified in an aerodynamic levitation apparatus.

In several applications of casting, dendritic microstructure is not desirable as it results in poor mechanical properties. Enhancing the fluid flow in the mushy zone by stirring is one of the means to suppress this dendritic growth. The strong fluid flow detaches the dendrites from the solid-liquid interface and carries them into the mold to form slurry. The detached dendrites coarsen in the slurry and form into rosette or globular particles based on processing conditions. This slurry offers less resistance to flow even at a high solid fraction and easily flow into the die-cavity. The above principle is the basis of a new manufacturing technology called “semi-sold forming” (SSF), in which metal alloys are cast in the semi-solid state. This technique has several advantages over other existing commercial casting processes, such as reduction of macrosegregation, reduction of porosity and low forming efforts. A major challenge existing in semisolid manufacturing is the production of metallic slurry in a consistent manner. The main difficulty arises because of the presence of a wide range of process parameters affecting the quality of the final product. An established method of producing slurry is by stirring the alloy using an electromagnetic stirrer. From an elaborate review of literature, it is apparent that solidification in presence of electromagnetic stirring involves a wide range of shear and cooling rates variation. However, the CFD models found in the literature are generally not based on accurate rheological properties, which are known to be functions of the relevant process parameters. Hence, there is a clear need for a comprehensive numerical model for such a solidification process, involving accurate rheological data for the semisolid slurry subjected to a range of processing conditions. The objective of the present work is to develop a numerical model for studying the transport phenomena during solidification with linear electromagnetic stirring. The study is presented in the context of a billet making process in a cylindrical mould using linear electromagnetic stirring. The mould consists of two parts: the upper part of the mould is surrounded by a linear electromagnetic stirrer forming the zone of active stirring, and the lower part of the mould is used to cool the liquid metal. The material chosen for the study is Al-7.32%Si (A356) alloy, commonly used for die casting applications. A complete numerical model will therefore have two major components: one dealing with rheological behavior of the semisolid slurry, and the other involving macroscopic modeling of the process using computational fluid dynamics (CFD) techniques. For the latter part of the model, determination of rheological behavior of the slurry is a pre-requisite. The rheological characteristics of the stirred slurry, as a function of shear rate and cooling rate, is determined experimentally using a concentric cylinder viscometer. Two different series of experiments are performed. In the first series, the liquid metal is cooled at a constant cooling rate and sheared with different shear rates to get the effect of shear rate on viscosity. In the second series of experiments, the liquid metal is cooled at different cooling rates and sheared at a constant shear rate to obtain the effect of cooling rate on viscosity. During all these experiments, the shear rate is calculated from the measured angular velocity of spindle using inductive position sensor; viscosity of the slurry is calculated based on the torque applied to the slurry and angular velocity of the spindle; and the solid fraction is calculated from measured temperature of the slurry based on Schiel equation. From these data, a constitutive relation for variable viscosity is established, which is subsequently used in a numerical model for simulating the transport phenomena associated with the solidification process. The numerical model uses a set of single-phase governing equations of mass, momentum, energy and species conservation. The set of governing equations is solved using a pressure based finite volume technique, along with an enthalpy based phase change algorithm. The numerical simulation of this process also involves modeling of Lorentz force field. The numerical study involves prediction of temperature, velocity, species and solid fraction distribution. First, studies are performed for a base case with a moderate stirring intensity of 250A primary current and 50 Hz frequency. It is found that the electromagnetic forces have maximum values near the mould periphery, which results in an ascending movement of the slurry near the mould periphery. Because of continuity, this slurry comes down along the axis of the mould. Stirring produces a strong fluid flow which results good mixing in the melt. Correspondingly, a homogenized temperature distribution is found in the domain. Because of strong stirring, the solid fraction in the slurry is found to be distributed almost uniformly. It is also found that fragmentation of dendrites increases solid fraction in the slurry with processing time. During processing, the continuous rejection of solute makes the liquid progressively solute enriched. It is predicted from the present study that the remaining liquid surrounding the primary solid phase finally solidifies with a near-eutectic composition, which is desirable from the point of view of semisolid casting. Correspondingly, a set of experiments are performed to validate the numerically predicted results. The numerical predictions of temperature variations are in good agreement with experiments, and the predicted flow field evolution correlate well with the microstructures obtained through experiments at various locations, as observed in the numerical results. Subsequently the study is extended to predict the effect of process parameters such as stirring intensity and cooling rate on the distributions of solid fraction and solute in the domain. It is found, from the simulation, that the solidification process is significantly affected by stirring intensity. At increasing primary excitation current, the magnitude of Lorentz force increases and results in increase of slurry velocity. Correspondingly, the fragmentation of dendrites from the solid/liquid is more during solidification at higher stirring intensity, which increases the fraction of solid in the slurry to a high value. It is also found that the solute and fraction of solid in the liquid mixes well under stirring action. Thus, a near uniform distribution of solute and solid fraction is found in the domain. It is found that stirring at high currents produces high solid fraction in the liquid. Also, at very low cooling rate, the solid fraction in the liquid increases. The present study focuses on the model development and experimental validation for solidification with linear electromagnetic stirring for producing a rheocast billet. Further studies highlighting the effects of various process parameters on the thermal history and microstructure formation are also presented.