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

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).

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.