Ce travail se situé dans la perspective d'un contrôle de la structure de solidification des alliages métalliques sous l'effet de la convection naturelle et forcée afin d'améliorer à terme la maîtrise des microstructures de solidification grâce à un brassage électromagnétique efficace permettant d'avoir une homogénéisation du bain liquide qui par la suite peut améliorer la microstructure finale de l'alliage. La possibilité retenue dans ce travail est de réaliser ce brassage sans contact avec la solution liquide (alliage sous fusion) et sans pollution par d'autres éléments en utilisant un brassage par la force de Lorentz. L'objet de la thèse comporte une étude théorique à la fois expérimentale basée sur une installation expérimentale particulièrement documentée et instrumentée, développée au laboratoire SIMAP/EPM à Grenoble, nommée AFRODITE. Ce dispositif expérimental permet de fournir des données de quantitatives et qualitatives sur le processus de solidification des alliages métalliques. Ces données sont nécessaires à la contribution aux études menées sur la solidification des alliages métallique et enrichir la base des donnée des modèles numériques développés pour prédire les défauts liés à la solidification. L'alliage choisi dans notre travail est l'étain-plomb, vue sa basse température de fusion. Les expériences envisagées visent à étudier l'effet de deux modes de configuration dynamique sur la solidification de l'alliage Sn-Pb: la convection thermosolutale avec la variation de deux paramètres essentiels (la vitesse de refroidissement et la différence de température expérimentale) et la convection forcée par l'utilisation de plusieurs modes de brassage électromagnétique. Cette étude s'intéresse en particulier à la caractérisation des macrostructures et les défauts liés à la macroségrégation. L'originalité de l'étude vise à mesurer in situ les températures instantanées. Ceci nous a permis d'évaluer l'évolution du transfert thermique due à la convection naturelle/forcée, ainsi que leurs influence sur le processus de la solidification sous différents aspects. L'analyse post-mortem de l'alliage métallique, fournit la structure de solidification et la distribution des ségrégations à différentes échelles (mésoscopique et macroscopique).

L’allégement des véhicules est un objectif incontournable dans l’industrie automobile. Parmi les voies exploitées par les constructeurs, le déploiement d’alliages d’aluminium pour le pavillon permet un allégement de plusieurs kilogrammes. C’est pourquoi, le procédé de soudo-brasage laser occupe une place de choix pour l’assemblage hétérogène pavillon aluminium/caisse acier. Cependant, en plus des problèmes liés à l’hétérogénéité du joint soudé (formation de composés intermétalliques par exemple), des difficultés inhérentes à la production en grande série émergent : un environnement avec de fortes contraintes industrielles, un niveau de conformité élevé et robuste ainsi qu’une cadence de production imposant des grandes vitesses de soudo-brasage comprises entre 4 et 6 m/min et adaptée à des configurations exploitables industriellement. L’objectif de ce travail de thèse est de conduire une analyse physique et technologique du process de soudo-brasage laser pour un assemblage hétérogène allégé pavillon/caisse. Dans un premier temps, un ensemble d’hypothèses sur l’influence de la physique du procédé, des variables process et de l’environnement d’étude sur la conformité et la reproductibilité de ces assemblages furent établies. Leur validation ensuite a été réalisée par des essais à l’échelle 1 sur une installation laser de production industrielle, prolongée par des analyses de la métallurgie et de la microstructure des assemblages ainsi que d’une simulation numérique du procédé. La physique du procédé en lien avec les paramètres du process de soudo-brasage laser acier/aluminium à haute vitesse a été identifiée. Les variables énergétiques ont montrées un fort impact sur le niveau de conformité atteint ainsi que sur la dispersion des résultats. Celles-ci tendent à influencer fortement les phénomènes physiques mises en jeu et notamment la thermique à l’interface acier/aluminium, impactant directement la formation des composés intermétalliques et leurs microstructures. Différentes tailles de grains ont été observés en fonction des paramètres process, contrôlant ainsi la tenue mécanique des assemblages soudo-brasés. La modulation in fine du cycle thermique de soudo-brasage, piloté par la physique activée du process, permet de discriminer les configurations les plus optimales pour une application industrielle du procédé. / Weight reduction of vehicles is a key objective in the automotive industry. Particularly, the use of aluminum alloys for the roof is one of the most promising path studied by manufacturers to save several kilograms. Therefore, the laser brazing process has a place of choice for assembling heterogeneous aluminum roof / steel body-side. However, in addition to issues related to the heterogeneity of the welded joint (formation of intermetallic compounds, for example), issues related to the mass production emerge: an environment with strong industrial constraints, high and robust levels of compliance, a production rate involving high brazing speeds between 4 and 6 m / min and fitting with industrial configurations. The objective of this thesis is to conduct a physical and technological analysis of laser brazing process in the case of a heterogeneous lightweight roof / body-side assembly. Firstly, a set of assumptions about the influence of the physical process, the process variables and the industrial environment on the compliance and the reproducibility of these assemblies are made. Then, validation was conducted by tests at scale 1 on a laser industrial production set-up, extended by analysis of metallurgy and microstructure of assemblies and a numerical simulation of the process. The link between the physical phenomena of the process and the high speed steel-aluminium brazing process parameters has been identified. Energy variables showed a strong impact on the level of compliance achieved and on the dispersion of results. These variables tend to strongly influence the physical phenomena of the process and especially thermal behaviors at the steel / aluminum interface, directly impacting the formation of intermetallic compounds and their microstructures. Different grain sizes were observed depending on the process parameters, influencing hence the mechanical strength of assemblies. Finally, the modulation of the brazing thermal cycle, driven by the activated physical phenomenon of the process, allows bringing out the most optimal configuration for an industrial application of the process.

Cette thèse concerne la modélisation numérique de Chambres Réverbérantes à Brassage de Modes (CRBM). Cet outil est utilisé pour les tests en Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) de systèmes électroniques variés. L'utilisation de modèles temporel, géométrique et électronique particuliers a été motivée en s'appuyant sur un maximun de paramètres réels. La prise en compte naturelle par la méthode des Volumes Finis dans le Domaine Temporel (VFDT) de géométries complexes autorise la modélisation conforme des équipements rencontrés en CRBM. L'intégration réaliste des pertes est assurée via un filtre temporel spécifique. Ces travaux ont permis de quantifier au mieux les effets de la dissipation numérique VFDT : une technique temporelle hybride Différences Finies/ Volumes Finis adaptée est ainsi proposée. Enfin, différentes améliorations numériques permettent d'optimiser les développements actuels des simulations temporelles en chambre réverbérante sont présentées.

Dans divers procédés, comme lors de l'affinage de l'acier, ou bien, dans le retraitement des déchets nucléaires, les interfaces entre deux phases liquides sont le siège de transferts de masse. Ces derniers nécessitent la mise en oeuvre de moyen de brassage pour accélérer la cinétique du transfert des polluants d'une phase vers l'autre.<br /> Cette thèse s'intéresse à l'utilisation des forces électromagnétiques pour agiter, sans contact matériel, le cœur du bain et l'interface afin de contrôler voire d'augmenter la cinétique de ces transferts. Pour cela, deux installations expérimentales complémentaires ont été utilisées :<br />La première a permis de mesurer le transfert d'Indium initialement dissous dans du mercure vers un électrolyte de couverture et le champ des vitesses dans le mercure. Les expériences réalisées ont permis, d'une part de déterminer la topologie des champs de vitesses des écoulements dans le bain de mercure, et d'autre part de compléter les lois d'évolution de la cinétique de transfert en fonction de l'intensité du champ magnétique. Cette évolution est corrélée aux comportements dynamiques de la surface du mercure.<br />La seconde installation a permis de caractériser le transfert d'un élément (Pb, Zr ou Ce) initialement contenu dans un sel fluoré vers une matrice d'antimoine contenant du lithium. Il apparaît que les cinétiques des transferts sont toutes très rapides. Le dispositif proposé est particulièrement efficace lors de transfert du Cérium (limité par l'interface) mais sans action lors de transfert de Zirconium.

Un nouveau procédé électromagnétique est mis en œuvre afin d'améliorer les transferts de masse entre un métal liquide et un laitier placé en couverture. Le principe du procédé consiste à fondre et brasser le métal dans un four à induction à creuset froid alimenté par un courant alternatif bifréquence. Ce courant inducteur est constitué d'une moyenne fréquence pour chauffer et assurer un brassage électromagnétique au sein du métal ainsi que d'une basse fréquence de modulation destinée à agiter l'interface métal - laitier. Un tel courant inducteur est obtenu en modulant la consigne d'entrée d'un générateur à induction standard à l'aide d'un signal sinusoïdal délivré par un générateur de fonctions. Une étude du comportement hydrodynamique de la surface libre de gallium dans un tel système d'induction bifréquence a montré qu'il est possible d'exciter des modes de surface axisymétriques (0,n) lorsque la fréquence de modulation du courant inducteur correspond à la fréquence propre d'un des modes de surface. Les amplitudes maximales et la fréquence des déformations de la surface libre ont été mesurées en fonction des paramètres de consigne d'entrée imposés au générateur. Il ressort une assez bonne corrélation entre les caractéristiques expérimentales des déformations et les valeurs issues d'un modèle analytique. Un système de détection de résonance, sans contact avec la surface libre, a été mise en place afin de détecter les déformations de la surface libre engendrées par l'excitation des modes de surface. L'aptitude du procédé à améliorer la cinétique du transfert de zirconium d'un sel fluoré vers un métal liquide contenant l'aluminium comme métal réducteur a été étudiée. Des expériences de transferts ont été réalisées sans et avec modulation du courant inducteur. Elles montrent que pour une valeur d'intensité du courant donnée, le transfert peut être accéléré sous l'effet de l'agitation interfaciale engendrée par la modulation du courant inducteur.

Le développement de nouveaux alliages pour l'industrie aéronautique nécessite la connaissance de leurs propriétés thermophysiques en phase liquide. Nous étudions ici la mesure de capacité calorique et de conductivité thermique par calorimétrie modulée sur des échantillons lévités en microgravité ou non. Une partie expérimentale décrit une expérience de lévitation sous rayons X permettant la visualisation de l'écoulement dans un échantillon métallique liquide. Les résultats d'une première série de mesure sont analysés et commentés. Puis une stratégie de simulation numérique est élaborée. Fondée sur une étude systématique des phénomènes physiques mis en jeu, elle est utilisée pour identifier les limitations des techniques de mesure actuelles. Une nouvelle technique de mesure, inspiré du génie des procédés, est proposée. Elle présente l'avantage de supprimer l'étape de calibration. Sa validité est démontrée par simulation numérique. Des recommandations pour son implémentation physique sont proposées.

Ce travail porte sur l'étude de l'environnement électromagnétique dans une chambre réverbérante à brassage mécanique de modes. Les chambres réverbérantes constituent un outil fondamental pour réaliser des mesures de compatibilité électromagnétique. Leur étude se focalise généralement sur les propriétés statistiques de la puissance du champ stationnaire. Cependant, d'autres études de ce champ stationnaire ont été faites sous un autre angle qui consiste à utiliser la décomposition en spectre d'ondes planes pour décrire ce champ. Les méthodes d'estimation spectrale à haute résolution constituent un outil puissant pour identifier les directions d'arrivée d'ondes planes. Ces méthodes réputées puissantes sont paramétriques, elles requièrent la connaissance a priori du nombre d'ondes planes à séparer. Une méthode complète basée sur le critère MDL (Minimum Description Length) pour l'estimation d'ordre et de l'algorithme MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) a été codée pour l'estimation du nombre, des directions d'arrivée, des amplitudes et des phases des ondes planes. L'adaptation de l'estimateur du spectre d'ondes planes à l'environnement de la chambre réverbérante, qui est un milieu à forte corrélation, nécessite l'utilisation de la technique de lissage spatial pour décorréler les fronts d'onde. La simulation du fonctionnement de la chambre réverbérante par la méthode numérique FDTD (Finite Difference Time Domain) a permis d'avoir les cartographies du champ électrique pour réaliser l'étude de la variation du spectre angulaire par rotation du brasseur mettant en évidence l'effet du mouvement du brasseur sur les directions d'arrivée des ondes et sur leurs puissances respectives. Ce travail se termine par une étude statistique des directions d'arrivée et des amplitudes des ondes planes de la décomposition

L'extraction réductrice liquide-liquide est une des voies pyrochimiques les plusprometteuses pour assurer le retraitement des déchets nucléaires. Cette techniqueconsiste à extraire à haute température des éléments initialement en solution dansun sel fondu sur une nappe métallique. Afin d'améliorer les transferts de masse,l'utilisation de forces électromagnétiques permettant de brasser sans contact matérielle coeur des bains et l'interface elle-même a été envisagée.Les cinétiques d'extraction de trois lanthanides (cérium, néodyme et samarium)ont été étudiées expérimentalement. Une étude préalable nous a conduit à travaillersur le couple fluorure de lithium/antimoine et à utiliser le lithium comme agentréducteur. Les investigations réalisées ont démontré que le mécanisme contrôlant lacinétique rapide des transferts est la diffusion des espèces réactives à l'interface.La simulation numérique du réacteur expérimental faisant intervenir de multiplescouplages a également été réalisée. Elle a permis de déterminer les écoulementsturbulents dans chacune des phases. Les transferts de masse simulés ont ensuiteété comparés aux mesures expérimentales.

L’aluminium et ses alliages sont très largement exploités en industrie car ils sont légers, peu sensibles à la corrosion et parfois ont une dureté comparable à celle de l’acier. Souvent, le matériau est utilisé brut de fonderie, dans ce cas, la composition, la macro et microstructure de matériau issues de la solidification, définissent son comportement suivant les conditions d’utilisation. Cependant, au cours des procédés d’élaboration sur terre, l’écoulement convectif apparaît à cause de la gravité et modifie les conditions locales de la solidification, la distribution du soluté et influe sur les propriétés de matériau. Afin d’analyser et contrôler ces phénomènes, des études expérimentales et numériques ont été réalisés.Deux fours de type Brdigman ont été construits à l’Université de Miskolc par MTA-ME Materials Science Research Group dans le cadre du ESA-MAP MICAST pour étudier l’effet de l’écoulement convectif lors de la solidification des alliages. Ces fours ont été équipés de systèmes électromagnétiques permettant de générer des champs magnétiques rotatif et glissant .Des modèles multiphases développés à SIMAP/EPM, Grenoble, France, ont été utilisés pour la simulation numérique de la solidification d’alliages binaire et ternaire en présence d’un écoulement convectif créé par des forces électromagnétiques. La modélisation de la solidification d’un alliage Al-Si avec un brassage rotatif a été réalisée pour des configurations 2D et 3D avec un couplage entre un modèle macroscopique de transport et des modèles à l’échelle mésoscopique, l’un basé sur la règle de levier et l’autre sur une moyenne d’ensemble Euler-Euler. De plus, les effets de deux modes de brassage par champs glissants sur la solidification d’un alliage ternaire ont été étudiés dans une géométrie 3D à l’aide d’un modèle macroscopique basé sur la règle de levier. Les résultats des modélisations numériques permettent d’expliquer la ségrégation observée sur les échantillons expérimentaux. / Aluminium and aluminium-based alloys are widely in industry due to the corrosion passivity, lighter weight, yet – in several cases – comparable strength with steel. Often, the material is used “as-cast“, that means that composition, macro- and microstructure of the material emerged during the casting defines its behaviour under different loads. Yet, convective flows generally arise in casting processes performed on-ground because of gravity and modify local solidification conditions, and, consequently, solute distribution and affect properties of material. To understand and to be able to control such phenomena, detailed experimental and numerical work has been needed.Two Bridgman-type furnaces were constructed in the University of Miskolc, Hungary, by MTA-ME Materials Science Research Group in the framework of the ESA funded MICAST project for experimental study of the effect of convective flow in solidification of alloys. These facilities were equipped with electromagnetic systems capable to generate rotating and travelling magnetic fields of various intensities.Multiphase models developed at SIMaP/EPM, Grenoble, France, were applied for numerical study of the solidification of binary and ternary aluminium alloys under electromagnetically generated convective flow. Solidification of a binary Al-Si alloy under RMF stirring was done with Euler-Euler ensemble averaging and lever rule mesoscale models coupled with the macroscale transport both in 2D and 3D geometries. Further, effect of various modes of TMF stirring during solidification of a ternary alloys was studied in 3D geometry with lever rule based macroscopic model. Results of numerical simulations well explain the segregation observed in the experimental samples.

L’extraction réductrice liquide-liquide est une des voies pyrochimiques les plusprometteuses pour assurer le retraitement des déchets nucléaires. Cette techniqueconsiste à extraire à haute température des éléments initialement en solution dansun sel fondu sur une nappe métallique. Afin d’améliorer les transferts de masse,l’utilisation de forces électromagnétiques permettant de brasser sans contact matérielle coeur des bains et l’interface elle-même a été envisagée.Les cinétiques d’extraction de trois lanthanides (cérium, néodyme et samarium)ont été étudiées expérimentalement. Une étude préalable nous a conduit à travaillersur le couple fluorure de lithium/antimoine et à utiliser le lithium comme agentréducteur. Les investigations réalisées ont démontré que le mécanisme contrôlant lacinétique rapide des transferts est la diffusion des espèces réactives à l’interface.La simulation numérique du réacteur expérimental faisant intervenir de multiplescouplages a également été réalisée. Elle a permis de déterminer les écoulementsturbulents dans chacune des phases. Les transferts de masse simulés ont ensuiteété comparés aux mesures expérimentales. / Reductive extraction is one of the most promising pyroprocess for processing spentnuclear fuel. The extraction of elements from a molten salt to a liquid metal occurs athigh temperature. At the interface between the two immiscible flows mass transfersare ensured via a redox reaction. To increase these transfers, electromagnetic forcescan be used to stir the bulk of both phases and of the interface itself without materialcontact.The kinetic of extraction of three lanthanides (cerium, neodymium and samarium)has been experimentally studied. We worked on lithium fluoride/antimony system,the reducing agent being lithium. Theses experiments show that mass transfers arefast for all studied lanthanides and are controlled by diffusion of reactive species atthe interface.The numerical simulation of experimental reactor which involves many stronglycoupled phenomenon has been performed. Turbulent flows have been computed inboth phases. Mass transfers have then been deduced and compared to experimentalresults.