Solidification contrôlée d’éprouvettes d’aluminium // Controlled solidification of aluminium specimens

Le LaMcube est une Unité Mixte de Recherche (UMR 9013 depuis 2020) entre le CNRS, l'Université de Lille et Centrale Lille, regroupant des enseignants-chercheurs et des chercheurs en mécanique et génie civil. Cette unité a été créée en janvier 2018.

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L’enjeu de l’industrie métallurgique est d’améliorer la durabilité des alliages issus de l’économie circulaire. Les constituants de la microstructure hérités du procédé de recyclage (éléments chimiques indésirables, porosités) influencent directement les propriétés en fatigue. Durant l’étape d’élaboration/solidification d’un alliage métallique différents types de défauts peuvent se former. Ces défauts sont directement liés à la composition chimique de l’alliage, aux paramètres et conditions d’élaboration et à la cinétique de refroidissement. La compréhension de l’impact de ces défauts sur les propriétés mécaniques est cruciale pour la durabilité des pièces en service.

L’objectif du projet est de réaliser des éprouvettes de traction d’alliages non-ferreux recyclés à défauts contrôlés. La stratégie est de générer des défauts internes dans la zone utile de l’éprouvette afin de lier les comportements mécaniques en traction (amorçage et propagation des fissures) à la microstructure en volume. La présence de ces défauts dans la zone utile impose un contrôle minutieux de la solidification de l’éprouvette. Le projet est adossé à l’équipement d’essais SPeCiMen 3D qui fait partie de la plateforme PIMS du laboratoire LAMCUBE laquelle est composée de deux parties :

i) Une partie haute constituée d’un four de fusion qui permet de contrôler la composition chimique de l’alliage et in fine des phases présentes ;

 ii) Une partie basse (juste en dessous du four de fusion) qui sera constituée d’un dispositif de solidification dirigée permettant de contrôler la cinétique de refroidissement et donc la localisation des défauts.

Le stage, concerne le recrutement d’un stagiaire M2 afin de continuer la validation de la faisabilité des éprouvettes. Cela se fait par plusieurs étapes en parallèle :

1- Simulations thermiques sous Ansys ou Comsol des échanges de chaleurs pendant le refroidissement du moule : la personne recrutée travaillera en particulier sur la simulation thermique du moule avec et sans chauffage par induction sous le logiciel Ansys. Des simulations pour le remplissage du moule et la cinétique de solidification seront effectuées sous le logiciel Novaflow.

2- Tests de faisabilité : réaliser des coulées/solidifications monitorées pour valider le modèle thermique : Une deuxième partie du stage sera consacrée aux expériences de validation des simulations numériques. Des expériences de coulée, solidification et caractérisation microstructurales seront alors menées. Les caractérisations seront réalisées en 2D en utilisant la microscopie optique et la microscopie électronique à balayage. Des caractérisations en 3D seront également possibles via la plateforme de microtomographie de laboratoire ISIS 4D afin d’évaluer la présence des défauts dans la zone utile de l’éprouvette.

3- Continuer la conception mécanique des pièces afin de finaliser la réalisation de l’équipement.

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The challenge for the metallurgical industry is to improve the durability of alloys produced in the circular economy. The microstructure components inherited from the recycling process (undesirable chemical elements, porosity) directly influence fatigue properties. During the production/solidification stage of a metal alloy, different types of defects can form. These defects are directly related to the chemical composition of the alloy, the production parameters and conditions, and the cooling kinetics. Understanding the impact of these defects on mechanical properties is crucial for the durability of parts in service.
The objective of the project is to produce tensile test specimens of recycled non-ferrous alloys with controlled defects. The strategy is to generate internal defects in the useful zone of the test specimen in order to link the mechanical behaviour under tension (crack initiation and propagation) to the microstructure in volume. The presence of these defects in the useful zone requires careful control of the solidification of the test piece. The project is supported by the SPeCiMen 3D testing equipment, which is part of the LAMCUBE laboratory's PIMS platform, which consists of two parts: 
i) An upper part consisting of a melting furnace that allows the chemical composition of the alloy and, ultimately, the phases present to be con

ii) A lower section (just below the melting furnace) which will consist of a directed solidification device to control the cooling kinetics and thus the location of defects. 

The internship involves recruiting an M2 intern to continue validating the feasibility of the test pieces. This will be done in several parallel stages:
1- Thermal simulations using Ansys or Comsol of heat exchange during mould cooling: the successful candidate will work in particular on the thermal simulation of the mould with and without induction heating using Ansys software. Simulations for mould filling and solidification kinetics will be carried out using Novaflow software.

2- Feasibility tests: performing monitored casting/solidification to validate the thermal model: The second part of the internship will be devoted to experiments to validate the numerical simulations. Casting, solidification and microstructural characterisation experiments will then be carried out. Characterisations will be performed in 2D using optical microscopy and scanning electron microscopy. 3D characterisations will also be possible via the ISIS 4D laboratory microtomography platform in order to assess the presence of defects in the useful area of the test piece.

3- Continue the mechanical design of the parts in order to finalise the production of the equipment.

Le ou la candidat.e recherché.e devra avoir de solides connaissances dans les domaines suivants:

- Simulation numérique thermique.

- Solidification des alliages métalliques.

- Utilisation a minima de l'outil Ansys pour les simulation thermiques.

- Conception assistée par ordinateur (CAO) (Catia, On shape, Solid works).

L'utilisation d'autres outils tels que Novaflow serait un plus.