Les coulées industrielles permettent de distinguer deux types de structures : colonnaires et équiaxes. La mise en place de ces structures a des conséquences importantes sur les autres hétérogénéités, particulièrement les macroségrégations chimiques. Le code SOLID, développé à l’Institut Jean Lamour, permet de décrire de manière couplée la convection naturelle du liquide ainsi que la germination, la croissance et le transport des grains équiaxes. Le travail présenté a pour but de proposer une modélisation de l’apparition et de la croissance des structures colonnaires couplées à celles des grains équiaxes, permettant ainsi de prédire la Transition Colonnaire-Equiaxe (TCE) et Equiaxe-Colonnaire (ECT). La particularité du modèle est de considérer la croissance couplée des structures uniquement au niveau des pointes primaires colonnaires car c’est à cet endroit que les gradients de soluté sont les plus importants. Après validation, le modèle est appliqué à des cas de coulées industrielles de lingots d’acier et comparé à des mesures expérimentales. Il en ressort en premier lieu que sans la modélisation du mouvement des grains équiaxes, les morphologies et les ségrégations de carbone prédites ne correspondent pas à l’expérience. Par la suite, on montre que les résultats obtenus dépendent fortement du scénario d’apparition des grains équiaxes. Une germination hétérogène volumique des grains équiaxes ne permet pas de prédire la TCE expérimentale. En revanche, la fragmentation des grains, associée à un critère pour le début de la fragmentation, prédit une TCE et des ségrégations en carbone en accord avec l’expérience. On montre alors que la masselotte des lingots peut ainsi être une source importante de grains / It is possible to distinguish two main types of structures in castings: columnar and equiaxed. The dynamic set up of these structures has a strong impact on other heterogeneities, especially the chemical macrosegregations. Developed at the Institut Jean Lamour, SOLID is a numerical code that accounts for natural convection as well as the germination, growth and transport of equiaxed grains. The purpose of this work is to model the appearance and the growth of the columnar structures coupled with the description of the equiaxed grains. The model can therefore predicts the Columnar-to-Equiaxed (CET) and Equiaxed-to Columnar (ECT) Transitions. The main characteristic of the model is to consider the coupled growth of both structures only in the zone near the tips of the primary columnar dendrites. It is indeed there that the strongest solute gradients are located. The model is verified by comparing it to experiments and other models of the literature. The model is then applied to the case of industrial steel ingots and compared to experimental measurements. The first result is that without taking into account the movement of the equiaxed grain the results for equiaxed grain morphology and for macrosegregation do not agree with the measurements. Next, we find that the phenomenon considered for equiaxed grain formation is decisive for the CET prediction. When heterogeneous volumic nucleation is considered, we were not able to predict the CET correctly. However, when fragmentation at the columnar front is considered – along with a criterion for the onset of fragmentation – the results agree quite well with the experiments. It is also shown that the hot-top of ingots is consequently an important source of equiaxed grains

L'objectif de ce travail de thèse, est de développer un matériau d'apport et un mode opératoire de soudage associé permettant d'assembler des tôles d'acier K44X pour la fabrication de collecteurs d'échappement automobiles. Les propriétés de l'acier K44X ayant été optimisées pour répondre au mieux aux contraintes de l'application, les conditions de soudage recherchées devront, dans la mesure du possible, éviter de dégrader les caractéristiques de l'acier, en particulier en termes de tenue mécanique à haute température et de résistance à l'oxydation et à la fatigue thermique. Ce mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre est consacré à une présentation synthétique des évolutions dans le domaine de la fabrication des collecteurs d'échappement automobiles, et des connaissances actuelles dans les domaines des aciers inoxydables ferritiques et sa soudabilité, des procédés de soudage à l'arc. Le second chapitre présente les caractéristiques de l'acier K44X et la problématique de l'étude, puis décrit le travail d'élaboration des matériaux d'apport de différentes compositions. Ainsi que les résultats d'une caractérisation préliminaire des soudures obtenues avec les différents matériaux. Le chapitre 3 traite de la caractérisation de la tenue en service de l'assemblage retenu à l'issu du chapitre précédent. Les tests d'oxydation, de traction à chaud sur zone fondue des soudures ou sur assemblages complets, et de fatigue thermique, utilisés pour réaliser cette caractérisation sont décrits, et les résultats sont discutés. La fin de ce chapitre est consacrée à la caractérisation des précipités formés dans les zones fondues. Enfin, le dernier chapitre est consacré à la modélisation thermique du soudage et à la modélisation de la solidification, dans le but de tenter de prédire le type de microstructure de zone fondue formée lors d'une opération de soudage, en fonction des paramètres procédés. Cette modélisation, qui s'appuie sur les résultats d'un essai de soudage instrumenté, doit notamment permettre de prédire si les conditions de soudage, pour une composition d'acier donnée, permettent ou non de former une structure de grains équiaxe en zone fondue des soudures. / The objective of this work is to develop a filler metal and an associated welding procedure allowing to join sheets of steels K44X for the manufacturing of exhaust manifolds for automotive. The properties of the steel K44X having been optimized to answer at best the constraints of the application, the welding conditions will have to, as possible, avoid degrading the characteristics of the steel, in particular in terms of mechanical strength with high temperature, oxidation resistance and in thermal fatigue.This report is divided into four chapters.The first chapter is dedicated to a synthetic presentation of the evolutions in the field of the manufacturing of the automotive exhaust manifolds, and current knowledge in the domains of ferritic stainless steels and its weldability, and in arc welding processes.The second chapter presents the characteristics of the steel K44X and the problem of the study, then described the work of elaboration of the filler metals with various compositions. As well as the results of a preliminary characterization of the welds obtained with the various materials.The chapter 3 is about the characterization of the in-service behavior of the assembly stemming from the previous chapter. The tests of oxidation, hot traction on molten zone of the welds or on complete assemblies, and of thermal fatigue, used to realize this characterization are described, and the associated results are discussed. The end of this chapter is dedicated to the characterization of precipitates formed in the molten zones.Finally, the last chapter is dedicated to the thermal modelling of the welding and to the modelling of the solidification, with the aim of trying to predict the type of microstructure of molten zone formed during a welding operation, according to the process parameters. This modelling, based on the results of a instrumented experimental test of welding, has to allow in particular to predict if the welding conditions, for a given composition of steel, allow or not to form a structure of grains equiaxed in molten zone of the welds.

L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. Le silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristallisation, l'apparition de morphologies indésirables (grits) dues à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Cependant les paramètres physico-chimiques liés à ces phénomènes sont encore inconnus. Dans ce but, nous avons développé une expérience de lévitation électromagn étique sous ultra vide permettant de mesurer la surfusion de germination du silicium en présence de carbone et d'azote dans des conditions contrôlées. Les résultats ont montré une diminution drastique de la surfusion en augmentant la concentration en impureté. En parall èle un modèle de transition facetté-équiaxe a été développé. En s'appuyant sur des modèles analytiques, il permet de prédire les transitions colonnaires-grits au cours de la solidication d'un lingot ainsi que la répartition en taille des grains dans les zones de grits.

L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. Le silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristallisation, l'apparition de morphologies indésirables (grits) dues à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Cependant les paramètres physico-chimiques liés à ces phénomènes sont encore inconnus. Dans ce but, nous avons développé une expérience de lévitation électromagnétique sous ultra vide permettant de mesurer la surfusion de germination du silicium en présence de carbone et d'azote dans des conditions contrôlées. Les résultats ont montré une diminution drastique de la surfusion en augmentant la concentration en impureté. En parallèle un modèle de transition facetté-équiaxe a été développé. En s'appuyant sur des modèles analytiques, il permet de prédire les transitions colonnaires-grits au cours de la solidification d'un lingot ainsi que la répartition en taille des grains dans les zones de grits.

Nous avons étudié in situ et en temps réel la solidification dirigée d'échantillons minces d'alliages binaires et d'un quasicristal en combinant radiographie et topographie X. Sur Al-3,5%pdsNi non-affiné, nous avons étudié la formation de l'état initial et la morphologie du front de solidification (croissance cellulaire puis dendritique). Les effets des contraintes mécaniques ont été mis en évidence. La transition colonnaire-équiaxe a été étudiée sur Al-3,5%pdsNi affiné. Nous avons décrit le blocage du front colonnaire et le régime de croissance équiaxe ultérieure. L'efficacité des affinants tend vers une limite. Une analyse de la morphologie des microstructures a été effectuée. L'étude du quasicristal i-AlPdMn montre la croissance de grains dodécaédriques facettés. Nous avons mis en évidence les effets de la convection thermosolutale. La visualisation des contraintes montre une forte déformation des grains. L'apparition de porosités a été observée au cours de la fusion des grains.

Ce travail présente deux approches pour la modélisation des structures de grains et de la ségrégation chimique associée à l'état de fonderie après solidification. La première approche est de développer un modèle basé sur une description semi-analytique des couches de diffusion chimique dans la phase solide et à l'extérieur des enveloppes des grains. L'originalité de ce modèle réside dans la prise en compte de la surfusion de germination des structures dendritique et eutectique. Nous avons appliqué le modèle développé aux gouttes solidifiées par lévitation électromagnétique (EML) et dont la germination de la structure primaire s'est produite spontanément. La technique EML est utilisée comme modèle expérimental pour produire des échantillons sphériques d'alliage aluminium–cuivre (Al-Cu) a différentes compositions nominales de cuivre. Pour chaque échantillon, nous avons étudié le cas d'une germination spontanée et le cas d'une germination déclenchée. Plusieurs degrés de surfusion ont été mesurés avant la germination des structures dendritique et eutectique. Des investigations expérimentales ont été menées pour caractériser une section centrale de chaque échantillon. Un microscope électronique à balayage (MEB), équipé d'un capteur rayon X, a été utilise pour l'analyse dispersive en énergie. Un ensemble complet de données a été généré pour chaque échantillon a travers des cartes de distribution du cuivre, de la structure eutectique et de l'espacement interdendritique secondaire. Le modèle permet une prédiction quantitative de la fraction de structure eutectique en accord avec les mesures effectuées et cela grâce à la prise en compte de la surfusion de germination eutectique. L'accord avec les mesures expérimentales est dû à la prise en compte de l'effet de la surfusion et de la recalescence eutectique. Dans la seconde approche, un modèle numérique 2D couplant Automate Cellulaire (CA) – Eléments Finis (FE) est développé pour la prédiction de la variation de la température et des cartes de ségrégation mesurées pour les échantillons Al-Cu. Un modèle de micro-ségrégation a été intégré dans chaque cellule de l'automate. Ce modèle permet de prendre en compte la surfusion de la germination de la phase primaire ainsi que la diffusion du soluté dans la phase solide. Les longueurs caractéristiques de diffusion ont été exprimé en fonction des espacements interdendritiques primaires et secondaires. Les équations de conservation d'énergie, de masse et de quantité de mouvement sont résolues par la méthode des éléments finis. Un nouveau schéma de couplage entre l'automate cellulaire et les éléments finis a été développé pour permettre l'adaptation du maillage. Un estimateur d'erreur géométrique a été intégré pour le contrôle de la taille et l'orientation des mailles afin d'optimiser la résolution par la méthode des éléments finis. L'application du modèle 2D CAFE a permis une compréhension avancée des résultats expérimentaux. Ce modèle a aussi été appliqué à la solidification d'une cavité rectangulaire d'un alliage étain-plomb. Les capacités du modèle pour l étude des transferts d'énergie et de masse aux échelles micro et macro ont été mise en évidence par le bon accord entre ces perditions et les mesures expérimentales (des cartes de température, de la macro–ségrégation et des structures de grains).

Cette thèse est consacrée à l'étude de films minces ouverts de cristaux liquides colonnaires sur un substrat solide. Ces matériaux, capables de s'auto-organiser en de larges domaines orientés, sont généralement obtenus à partir de molécules discotiques dérivées de colorants aromatiques. Ces différentes caractéristiques, associées à une bonne mobilité de charges, permettent d'envisager l'utilisation des cristaux liquides colonnaires en film mince dans des dispositifs photovoltaïques. Afin de bénéficier de leurs bonnes propriétés optoélectroniques, les cristaux liquides colonnaires doivent être déposés en film mouillant, d'épaisseur inférieure à 100 nm, et leur orientation contrôlée. Ainsi, pour des applications photovoltaïques, un alignement homéotrope (colonnes normales au substrat) est requis. Inversement, l'orientation planaire uniaxe (colonnes parallèles au substrat), est quant à elle requise pour une utilisation de ces composés dans les polariseurs ou dans les transistors organiques à effet de champ. Dans ce travail, différentes méthodes permettant de contrôler l'alignement de films minces ouverts de cristaux liquides colonnaires ont été développées, permettant d'obtenir aussi bien un ancrage homéotrope par traitement thermique spécifique, qu'un ancrage planaire uniaxe par dépôt préalable d'une couche de téflon. Le contrôle de l'orientation a ainsi permis d'une part de produire un film mince (e " 50 nm) mouillant en ancrage homéotrope ouvrant la voie vers des cellules solaires organiques efficaces, et d'autre part de déterminer l'ensemble des propriétés optiques (indices complexes anisotropes) de ces matériaux cristallins liquides colonnaires. La dynamique du démouillage et l'état d'équilibre d'un film mince ouvert de cristal liquide colonnaire ont également été étudiés. Les résultats expérimentaux révèlent la formation de gouttelettes anisotropes et la présence d'un film nanométrique lors du démouillage de ce film mince. Cristal liquide colonnaire, molécule discotique, ancrage homéotrope/planaire, traitements de surface, démouillage, indices optiques anisotropes (indice de réfraction, coefficient d'extinction).

L’augmentation des températures de fonctionnement des turboréacteurs est un axe de développement privilégié dans l’industrie aéronautique. Une solution est l’amélioration des systèmes barrières thermiques. Ce travail de thèse s’intéresse au procédé de projection plasma de suspensions (SPS) qui permet d’envisager une amélioration significative des performances pour les prochaines générations de barrières thermiques, comparé au procédé d’évaporation sous faisceau d’électrons (EB-PVD). Le procédé SPS a en effet démontré une capacité à générer des microstructures colonnaires qui présentent un intérêt pour l’accommodation des contraintes thermo-mécaniques. Une étude microstructurale a conduit à l’identification des paramètres influant sur les variations de morphologies des revêtements (taille de colonnes, distribution de taille, compacité). Deux nuances optimisées en zircone yttriée (YSZ), nommées colonnaire et colonnaire compacte, ont été caractérisées de façon approfondie afin de déterminer les bénéfices du procédé SPS. Ces nuances se caractérisent par une conductivité thermique inférieure à 1 W.m-1.K-1, sur une plage de température allant de 25 à 1100 °C, soit des valeurs avantageuses par rapport à celles des revêtements EB-PVD (1,3 – 1,5 W.m-1.K-1). La durée de vie des dépôts SPS, estimée par cyclage thermique, est au moins équivalente à un dépôt YSZ réalisé par EB-PVD et cyclé en même temps. Le résultat le plus élevé obtenu, supérieur à 2000 cycles, est particulièrement prometteur. La capacité de fonctionnalisation du procédé SPS a par ailleurs permis la réalisation de systèmes multifonctionnels comprenant un dépôt colonnaire YSZ et un dépôt homogène Gd2Zr2O7 en surface. Cette architecture bicouche a pour objectif de pallier les infiltrations chimiques de type CMAS (CaO–MgO–Al2O3–SiO2) qui constituent un frein pour l’augmentation de la température de fonctionnement. Le caractère anti-CMAS du matériau Gd2Zr2O7 mis en forme par SPS a été évalué jusqu’à 1300 °C. / The increase of operating temperature of gas turbine engines is an issue of interest for the aeronautic industry. A solution is the enhancement of thermal insulation properties of thermal barrier coatings (TBCs). The present work is related to suspension plasma spraying process (SPS) that allows to consider significant improvements for the next generation of TBC systems, compared to the currently used process, namely electron beam physical vapor deposition (EB-PVD). Indeed, SPS process can produce columnar microstructures able to provide high thermo-mechanical compliance. A microstructural study led to identify parameters which impacted the coating morphology (column size, distribution, and compaction). Two optimized yttria-stabilized zirconia (YSZ) microstructures were carefully characterized to highlight SPS process advantages. Low thermal conductivities (< 1 W.m-1.K-1) were obtained within a large temperature range (25 °C – 1100 °C), compared to EB-PVD YSZ coatings (1,3 – 1,5 W.m-1.K-1). Thermal lifetime was estimated thanks to thermal cyclic fatigue tests. A similar level of thermal lifetime was reached with SPS coatings compared to EB-PVD one. Some SPS columnar coatings even showed more than 2000 cycles to failure. The ability of SPS to perform multifunctional systems, including a YSZ columnar structure with a homogeneous Gd2Zr2O7 coating on the top, was investigated. This architecture must provide a chemical protection to CMAS (CaO–MgO–Al2O3–SiO2) aggressions. These contaminants would impede the increase of temperature in next generation of gas turbine engines. The anti-CMAS behavior was assessed for SPS Gd2Zr2O7 coatings until 1300 °C.

Aujourd’hui, la fabrication additive de pièces métalliques par le procédé EBM (fusion sélective par faisceau d’électrons) concerne essentiellement les alliages de titane et les alliages cobalt-chrome. Une forte demande du secteur aéronautique pousse à étudier la possibilité d'étendre les champs d’application de ce nouveau procédé d'élaboration à d'autres matériaux à haute valeur ajoutée, notamment les superalliages base Nickel.Après la caractérisation des poudres et la description des particularités du procédé EBM (mise en œuvre, paramètres, thermique…), ce travail s'est attaché à développer une méthodologie permettant de structurer l’utilisation d’un nouveau matériau par EBM. Cette méthodologie a dans un premier temps été validée sur un superalliage base Nickel soudable: l'inconel 625.La mise en œuvre d’un superalliage non-soudable a révélé une problématique de fissuration à chaud. Une partie du travail de thèse a été consacrée à la compréhension de l'origine de la fissuration à partir de caractérisations microstructurales multi-échelles. L'étude de la genèse des microstructures et des défauts hérités de la fabrication a permis de proposer des règles de fabrication afin de limiter, et même d'éviter complètement la fissuration. Une adaptation des paramètres opératoires et des stratégies de fusion lors du procédé EBM est utilisée pour générer des microstructures présentant des structures de grains différentes allant de structures équiaxes jusqu'à la fabrication de monocristaux en passant par des structures colonnaires de différentes tailles.Le couplage entre un modèle de solidification prédisant la transition colonnaire-équiaxe et des simulations éléments finis permettant de quantifier les gradients thermiques et les vitesses de solidification a permis d’établir des liens entre les paramètres procédé et les microstructures résultantes. / Over the last decade, new processing routes based on additive manufacturing (AM) have emerged. Among the AM processes, Electron Beam Melting (EBM) was mainly dedicated to the fabrication of components made of titanium or chromium-cobalt alloys. Aeronautic industry has been a driving force to investigate the possibility to extend the EBM process to other materials and in particular to Ni-based superalloys.The first objective of this work was to develop a methodology to rationalize the use of a new material in the EBM machine. This can be achieved by studying the main characteristics of the EBM process: powder requirements, melting parameters and strategies, thermal aspects.... The methodology was first validated on a weldable Ni-based superalloy: the Inconel 625 grade.The methodology was then extended to the fabrication of a non-weldable Ni-based superalloy, i.e. a grade containing a large fraction of the γ' strengthening phase. Processing such non-weldable superalloys by EBM usually induced cracks in the fabricated components. The microstructures were characterized in order to identify the mechanism at the origin of the cracks. Understanding the mechanism responsible for the development of cracks has allowed to propose new melting strategies limiting or completely avoiding the formation of cracks.Adjusting melting parameters and strategies turns out to be an efficient way for tailoring the grain structure. Equiaxed grains, columnar grains with different sizes as well as single crystals can thus be generated with suitable process parameters.Finally, coupling a solidification model predicting the equiaxed/columnar transition and finite element calculations quantifying the magnitude of the thermal gradient and solidification velocity allowed to establish some links between microstructures and EBM melting parameters.

Le système Ti-Al est prometteur pour la substitution aux superalliages base-Ni aéronautiques. Dans la gamme de compositions d’intérêt pour ces applications, la solidification de ces alliages débute par la phase ß (structure cubique centrée) suivie d’une transition péritectique ß + L → α (structure hexagonale). En fonction de la teneur en Al, les proportions des phases ß et α au cours de la solidification varient, et le procédé de coulée centrifuge pour fabriquer des aubes de turbine pour l’aéronautique introduit d’autres variations structurales. Le présent travail explore l’influence de la teneur en Al et de la centrifugation sur la solidification de ces alliages. Des expériences de refusion en creuset froid sous induction, de solidification dirigée en centrifugeuse de grand diamètre et de coulée centrifuge sont présentées et caractérisées. Des mécanismes potentiels pour les différences structurales observées sont proposés. Une fragmentation assistée par une teneur en Al plus élevée est observée dans les essais en creuset froid, et une réaction péritectique démarrant plus tôt est associée à une fragmentation plus efficace pour provoquer la transition colonnaire-équiaxe (TCE). Une compétition entre la convection et la sédimentation est observée lors des essais de solidification dirigée sous centrifugation, et la refusion des bras secondaires est responsable de la TCE. En coulée centrifuge, des structures hétérogènes en « ailes de mouette » à faibles teneurs en Al dépendent de la cinétique de refroidissement et de la convection. Un comportement différent sous les mêmes conditions est constaté à plus fortes teneurs en Al, transition qui semble coïncider avec le péritectique / The Ti-Al system is a promising substitute for Ni-based aeronautical superalloys. In the composition range of interest for these applications, the solidification of these alloys begins with a ß phase (body-centered cubic structure) followed by a peritectic transition ß + L → α (hexagonal close-packed structure). As a function of Al content, the proportions of ß and α phases over the course of solidification change, and the centrifuge casting process for aeronautical turbine blade fabrication introduces other structural variations. The present work explores the influence of Al content and centrifugation on the solidification process in these alloys. Remelting experiments in a cold-crucible induction furnace, directional solidification experiments in a large-diameter centrifuge and centrifuge casting experiments are presented and characterized. Potential mechanisms for the observed structural differences are proposed. Fragmentation assisted by a higher Al content is observed in cold crucible casting, and an early onset of the peritectic reaction is associated with fragmentation that more effectively provokes a columnar-to-equiaxed transition (CET). Competition between convection and sedimentation is observed in directional solidification under centrifugation, and secondary arm remelting is responsible for CET. In centrifuge casting, heterogeneous “seagull wing” structures for low Al contents depend on cooling rates and convection. A different behavior under the same conditions is noted for higher Al contents, and the transition seems to coincide with the peritectic