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

Pour rendre les véhicules électriques plus attractifs, les recherches actuelles se portent sur l'augmentation de l'autonomie de la batterie. Deux méthodes existent pour le réaliser : travailler sur les technologies de batterie ou alléger le véhicule. Une voie classique d'allègement est de remplacer les matériaux des pièces existantes par d'autres matériaux plus légers. Dans le cas des alliages d'aluminium, les matériaux de remplacement possibles sont les polymères ou les alliages de magnésium. Dans cette étude, l'alliage de magnésium commercial AZ91 a été modifié par ajout d'éléments d'alliages supplémentaires. Des échantillons d'alliages modifiés coulés sable ont été étudiés pour en comparer la microstructure et les comportements mécaniques et face à la corrosion. Des observations de coupes métallographiques avec analyse quantitative d'image ont été couplées avec de la microanalyse X , de la diffraction des rayons X et avec de l'analyse thermique , pour analyser les changements de microstructure et de séquence de précipitation dues aux ajouts. La réponse aux traitements thermiques a aussi été quantifiée. Des essais mécaniques ont été réalisés pour classer les différents alliages de magnésium selon leurs performances. Enfin, l'AZ91D est connu pour son bon comportement en corrosion par rapport aux autres alliages de magnésium. L'influence des ajouts d'éléments sur la performance en corrosion a également été étudiée par des méthodes conventionnelles d'électrochimie et par des essais industriels. / To make electric vehicles more attractive, researches to increase the autonomy of electric vehicles are underway on the battery technology and on the lightening of many vehicle parts. For the second approach, one way is to replace aluminum by magnesium without loosing mechanical and corrosion resistance performance. The AZ91 commercial alloy was modified with additional elements to meet the mechanical requirements for the power electronic casings. Sand casting samples were studied for the comparison of microstructure and properties. First, metallographic observations were performed with an optical microscope and a SEM combined with microanalysis (epma) coupled with quantitative image analysis, then the solidification sequence was analysed using thermal analysis in order to identify the changes in microstructure when alloying. Combined with DTA, X-ray diffraction and micro probe analysis, these techniques are useful to understand the solidification sequence of the complex alloys and their response to heat treatments. Tensile and hardness tests were then performed in order to quantify the mechanical strength of the different samples. Fractographic observations were also done to characterize the rupture of the specimens. AZ91D is known for its good corrosion resistance. Corrosion behaviour of modified alloys was assessed by electrochemical and non-electrochemical methods.

Novas rotas para obtenção de silício grau solar a partir de silício grau metalúrgico estão em desenvolvimento e a solidificação direcional é uma etapa presente em todos os processos propostos. O refino de silício por solidificação direcional baseia-se no fenômeno de macrossegregação das impurezas. Experimentos de solidificação direcional transiente foram realizados em condições estáticas utilizando um equipamento projetado no âmbito desse trabalho. A partir de um experimento de referência, foram avaliadas as influências da alteração do material da base do cadinho, altura do lingote e condição de resfriamento do forno. Para estudo das condições de solidificação e dos mecanismos envolvidos no fenômeno de macrossegregação de solutos foi proposto e implementado um modelo matemático. Esse modelo considera as equações gerais de transporte no caso unidirecional e o transporte de espécies químicas por difusão macroscópica e convecção. A convecção foi tratada a luz da teoria da camada estagnada a frente da interface sólido-líquido. Variáveis como velocidade da interface sólido-líquido, gradiente de temperatura, perfis de concentração de soluto e de fração de sólido foram obtidos com o modelo matemático utilizando as temperaturas medidas no silício durante os experimentos de solidificação como condições de contorno do modelo. Os resultados experimentais mostraram que sob algumas condições foram obtidos lingotes com macroestrutura típica de solidificação unidirecional e, além disso, as microestruturas mostraram evidências de macrossegregação de solutos. Os resultados do modelo matemático mostraram que a solidificação ocorreu em diferentes condições de velocidade da interface sólido-líquido e gradiente de temperatura nos experimentos. Os resultados obtidos com a utilização do modelo matemático mostraram que a convecção teve papel fundamental no fenômeno de macrossegregação de solutos. / New process routes are under development to obtain solar grade silicon from metallurgical grade one, and the directional solidification is an essential step in all proposed process routes. The silicon refining by directional solidification is based on the impurities macrosegregation phenomena. Transient solidification experiments were conducted under a static condition in a furnace projected for this work. From a reference experiment it was analyzed the effects of the changing the material of the crucible base, the ingot height and the cooling condition of the furnace. A mathematical model was proposed and implemented in order to study the solidification conditions and the main mechanisms regarding the macrosegregation phenomena. The mathematical model considers the conservation equations in one direction and the transport of chemical species occurs by diffusion and convection. The convection was treated using the diffusion layer theory. The velocity of solid-liquid interface, temperature gradient and profiles of solute concentration and solid fraction were obtained using the temperatures on silicon during the solidification experiments as boundaries conditions of the model. The experimental results showed that under some conditions it was obtained ingots with typical unidirectional macrostructure and, besides, showed in the microstructure evidences of macrosegregation. The mathematical model results showed that the solidification took place under different conditions of solid-liquid interface velocities and temperature gradient in the experiments. The results from the mathematical model showed that convection plays an essential role in the macrosegregation phenomena.

Mémoire (M.Sc.A.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 1992. / Résumé disponible sur Internet. CaQCU Bibliogr.: f. 158-160, 220-221. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Mémoire (M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1996. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Mémoire (M.Ing.)--Université du Québec à Chicoutimi, 2000. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2004. / Bibliogr.: f. 234-242. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Les céramiques eutectiques Al₂O3-YAG-ZrO2:Y obtenues par solidification dirigée constituent une alternative aux superalliages base nickel monocristallins pour le développement d’aubes de turbine à haute température. En effet, leur microstructure complexe 3D-imbriquée, appelée Chinese script, et la qualité des interphases confèrent au matériau une stabilité thermique et des propriétés mécaniques, fluage et contrainte à la rupture, constantes jusqu’à des températures proches de 1700°C.Nos travaux se basent sur deux approches, expérimentale et numérique, afin de comprendre deux aspects inhérents à la morphologie de cet alliage : - La microstructure Chinese script constituée de lamelles irrégulières enchevêtrées des phases majoritaires corindon et YAG et d’une troisième phase ZrO2 :Y. - L’apparition des colonies dans la microstructure, qui résultent d’une déstabilisation de l’interface de solidification en présence d’une impureté.Trois procédés d’élaboration ont été utilisés dans le cadre du projet : EFG, Bridgman et Micro-Pulling Down, afin d’explorer une large gamme de conditions de croissance (gradient de température et vitesse de solidification). Une modélisation des trois procédés par éléments finis avec le logiciel commercial COMSOL a permis une connaissance précise des paramètres de solidification, nécessaire à l’étude des mécanismes de croissance. En parallèle, la composition des échantillons est confrontée aux calculs CALPHAD du diagramme d’équilibre des phases.Une procédure de caractérisation des microstructures obtenues pour différentes conditions de solidification a été mise en place pour décrire cet eutectique irrégulier. Ainsi l’effet de la vitesse et du gradient de température sur cet alliage a été étudié. Des similarités avec la croissance des eutectiques métalliques ont été établies. Il apparaît que la structure eutectique est constituée de deux phases Al2O3 et YAG monocristallines et d’une dispersion de Zr02:Y.Enfin un modèle physico-chimique, inspiré des modèles existants sur la croissance eutectique des métaux, est proposé pour expliquer la formation de cette microstructure et la déstabilisation du front de solidification. Ce modèle est comparé aux observations expérimentales et montre que la compréhension de la croissance eutectique élaborée dans le cas des métaux s’applique bien à la description des eutectiques céramiques.Par ailleurs, une perspective de contrôle de la microstructure par champ électrique est présentée. En effet, en utilisant le caractère ionique du matériau fondu, l’application d’un champ électrique permet de modifier le mouvement des ions et donc d’influencer les phénomènes de diffusion à l’origine de la microstructure. / These last decades, directionally solidified eutectic oxides have drawn attention and are seen as an alternative to Ni based superalloys for the development of high temperature turbine blades. Indeed, their 3D entangled and complex microstructure, called Chinese Script and the high quality of the interphases provide a thermal stability and mechanical properties, creep and strength, constant up to 1973 K.Our study focuses on the directional solidification of an alumina-based ternary eutectic alloy. The work is based on two approaches, experimental and modeling, in order to understand two inherent aspects of this alloy morphology: -The Chinese Script microstructure composed of irregular entangled lamellas of the two major phases Al2O3 and YAG and the third phase ZrO2:Y. - Colonies formation due to the presence of an impurity causing an interface destabilization.Experiments have been performed by different growth techniques: EFG, Bridgman and Micro-Pulling down exploring a large range of growth conditions. The modeling of these processes on a commercial software COMSOL gave the precise knowledge of the growth rate and the temperature gradient, needed for the study of the growth mechanisms. In the meanwhile, samples’ composition has been confronted to the phases equilibrium diagram calculated by the CALPHAD method.A characterization route of the microstructures obtained for different growth conditions has been set up in order to describe this irregular eutectic. Thus, the influence of speed and temperature gradient have been studied, showing identical growth behavior with eutectic metals. Moreover, it appears that this eutectic structure is composed of two single crystals: Al2O3 and YAG and a finely dispersed particles of ZrO2:Y.Finally, a physico-chemical model is presented, based on classical models in the case of metallic eutectics, in order to describe the formation of this microstructure and the appearance of colonies at the eutectic composition. The model is confirmed by the experimental observations. Peculiarities of the ceramic eutectic growth, with respect to metallic eutectics, are discussed.Besides, a way to control the microstructure through an electric field is presented. Indeed, by using the ionic property of the molten material, applying an electric field allows to modify ions transport and thus influences the diffusion phenomena at the origin of the microstructure.

La chaleur dégagée par des dispositifs à différentes échelles (microprocesseurs, automobiles, habitations, usines) constitue une source quasi inexploitée d’énergie. La conversion de cette énergie thermique en énergie électrique est possible via l’emploi de générateurs thermoélectriques. Cependant actuellement leur usage est peu répandu du fait de leur faible rendement, de la toxicité et du coût des matériaux. L’objectif de cette thèse qui fait suite à la thèse théorique de Kinga Niedziolka (Université Montpellier, 2014) était l’obtention de nouveau matériaux thermoélectriques performants à base de ZnSb sur la base des résultats obtenus par modélisation. Conformément aux calculs réalisés et en accord avec le partenaire industriel (Hutchinson), les dopants choisis pour ZnSb ont été l’aluminium (1% en substitution du zinc), le tellure (1% en substitution de l’antimoine, le titane (1% en substitution du zinc) et l’yttrium (1% en substitution du zinc). L’objectif ici est de synthétiser et de caractériser les matériaux qui ont été calculés de type n (conduction électrique assurée par les électrons). Les matériaux ont été synthétisés par fusion, trempe et recuit et ont été obtenus sous forme de lingot polycristallin. Ils ont été caractérisés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et microsonde de Castaing. Leur mise en forme pour les caractérisations thermoélectriques a ensuite été mise au point. C’est en utilisant la technique du Spark Plasma Sintering (SPS) que nous avons atteint des densités très intéressantes de l’ordre de 98% pour tous les matériaux contenant un dopant. Les caractérisations thermoélectriques ont été conduites en fonction de la température jusqu’à 600 K au moyen d’un appareillage de type ZEM-3.Les travaux de dopage se sont concentrés sur les matériaux dopés au tellure présentant les résultats les plus prometteurs. Cependant les caractérisations thermoélectriques des matériaux synthétisés n’ont pas permis de mettre en évidence le passage au type n souhaité. Cependant, une avancée a été réalisée en ce qui concerne ZnSb non dopé qui est naturellement un matériau de type p (conduction électrique assurée par les trous): grâce à la mise en œuvre de la mécanosynthèse nous avons obtenu un matériau présentant de meilleurs propriétés que ceux existants. Des analyses de ce matériau au microscope électronique en transmission ainsi que des analyses par la méthode XPS ont conduit à l’identification de certains précipités responsables de l’amélioration de ses propriétés thermoélectriques. De plus, le matériau ZnSb obtenu, présente une grande stabilité en température ce qui renforce d’autant plus son intérêt d’utilisation par rapport à d’autres matériaux dans la même gamme de température. / The heat loss from different sources at different scales (microprocessors, cars, houses, factories) is an almost untapped source of energy. The conversion of this thermal energy into electrical energy is possible through the use of thermoelectric generators. However at the present time their use is not widespread due to their low efficiency, toxicity and because of the cost of the existing materials. The aim of this thesis that follows the DFT calculations previously made during Kinga Niedziolka’s thesis, (University of Montpellier, 2014) was to obtain new efficient thermoelectric materials based on ZnSb relying on the calculation results. Based on the calculations and in agreement with the industrial partner Hutchinson, aluminum (1 % at. in substitution of Zn), tellurium (1 % at. in substitution of Sb), titanium (1 % at. in substitution of Zn) and yttrium (1 % at. in substitution of Zn) were selected as dopants. The objective, was to synthesize and characterize the materials which were calculated as n type semiconductors (electron conduction). The materials were synthesized by melting, quenching and annealing. They were obtained in the form of polycrystalline ingots. They were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and EDS and WDS microanalysis. Their shaping for thermoelectric characterization was then developed. The technique of Spark Plasma Sintering (SPS) was chosen to this aim and we achieved very interesting densities of around 98% for all doped materials. Thermoelectric characterizations were carried out up to 600 K by means of a ZEM-3 type apparatus. Only tellurium doped materials with the most promising results were thoroughly studied. However, the thermoelectric characterization of the synthesized doped materials didn’t show the expected transition to an n-type conduction. However, progress was made regarding ZnSb as a p-type material. The optimization of the mechanical alloying process led to a very promising ZnSb material. The analyses of this material by transmission electron microscopy and XPS analysis led to the identification of some precipitates which give rise to improved thermoelectric properties compared to existing p-type ZnSb. Furthermore the obtained material has a high thermal stability reinforcing its interest compared to other materials for applications in the same temperature range.

Orientadores: Amauri Garcia, Noe Cheung / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-14T16:40:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_AntonioCarlosPires_M.pdf: 13091267 bytes, checksum: c4c7c0e72c88328cba1119cc9cd6d650 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: As ligas de solda à base de estanho apresentam excelente fluidez e temperaturas de trabalho ideais para a união de componentes eletrônicos. A solda com ligas do sistema estanho chumbo é a mais comum para soldas em eletrônica. Entretanto, há muitas preocupações com o uso do chumbo, devido aos diversos efeitos adversos na saúde humana e contaminação do meio ambiente. Por essas razões, na maioria dos países o chumbo já é condenado e proibido de ser incorporado em diversos produtos. Neste sentido, a indústria eletrônica está de olho em soldas livres de chumbo que possam substituir a clássica solda estanho-chumbo. É objetivo deste trabalho analisar a solidificação de ligas eutéticas dos sistemas Sn-Ag e Sn-Cu, que são duas ligas com potencial de substituição. Foram desenvolvidos experimentos para determinar a influência do acabamento superficial da chapa molde nos parâmetros térmicos de solidificação durante a solidificação direcional ascendente em regime transitório de extração de calor de ligas eutéticas Sn-Pb, Sn-Cu e Sn-Ag. Foram utilizados dois tipos de acabamentos superficiais na chapa molde: lixado e ranhurado, para investigar as condições de afinidade metal/substrato. Foi desenvolvida uma abordagem teórico-experimental para determinar quantitativamente as variáveis térmicas, tais como: coeficiente de transferência de calor global (hg) e velocidade de deslocamento da frente de solidificação. As micro estruturas de solidificação foram caracterizadas e os espaçamentos dendríticos secundários (?2) foram medidos na direção longitudinal dos lingotes, e correlacionados com as variáveis térmicas que atuaram durante a solidificação. / Abstract: Tin based alloys for welding applications have excellent fluidity and adequate temperature working range to join electronic components. The most used tin alloys for welding is the eutectic Sn-Pb alloy. However, there are some concerns about lead, due to hazardous effects to health and to environment. Due to theses reasons, many countries condemn and prohibit the use of lead in several products. In this sense, the electronic industries are looking for lead-free solder alloys with a view to replace the traditional Sn-Pb eutectic alloy. The aim of this work is to analyze the solidification of Sn-Ag and Sn-Cu eutectic alloys which are potential alloys candidates to replace the eutectic Sn-Pb alloy. Experiments were conducted to determine the influence of the mold wall roughness on the thermal solidification parameters during the upward unsteady-state directional solidification of eutectic Sn-Pb, Sn-Cu and Sn-Ag alloys. Two different kinds of surface mold finishing, sanded and grooved, were used in order to analyze metal/substrate affinity. A combined theoretical and experimental approach has been used to quantitatively determine such thermal variables, i.e., transient global heat transfer coefficient (hg) and solidification growth rates. The microstructures have been characterized and the secondary (?2) dendrite arm spacings were measured along the castings length and correlated to transient solidification thermal variables. / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica