Gildas Guillemot (Mines Paris, PSL Université, CEMEF) a animé le vingt-deuxième webinaire de l’Afthermat portant sur la modélisation de la solidification hors équilibre par une approche thermodynamique de croissance interfaciale
La matière se transforme à des vitesses particulièrement importantes dans les procédés de fabrication additive (FA), encore plus particulièrement ceux considérés à ‘haute énergie’ comme en Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Des vitesses de croissance interfaciale de l’ordre de 1 cm/s à 1 m/s, sont couramment rencontrées lors de l’étape de solidification, en relation avec les paramétries choisies et les alliages exploités. Ce régime de vitesse conduit, habituellement, à une solidification hors équilibre, dans lequel la diffusion solutale interfaciale ne permet pas de revenir à l’égalité attendue des potentiels des espèces chimiques présentes. Il devient ainsi nécessaire, dans le cadre de l’étude et du suivi de ces procédés, et notamment pour les matériaux multiconstitués, de proposer des modèles de croissance dits ‘hors équilibre’.
Ces modèles de croissance se retrouvent dans la littérature [1-4], mais présentent certaines limites. Dans ce webinaire,, un nouveau modèle descriptif de la thermodynamique et du comportement des interfaces hors équilibres est présenté. Ce dernier est dédié à l’étude de la croissance rapide de phases solides en L-PBF [5]. Ce modèle, nommé PDM (Partial Drag Model), a été appliqué, ensuite, aux transformations de phases observées dans les alliages multicomposés industriels [6,7]. Les processus de traînage de soluté (solute drag) et de piégeage de soluté (solute trapping) sont ainsi suivis dans une même approche, l’interface se développant à une composition effective, pondérée entre les compositions des phases liquide et solide.
Le principe de dissipation d’énergie à l’interface amène à considérer deux contributions liées : 1) à l’avancée de l’interface à la composition imposée, par effet d’adsorption de solutés, 2) au retour de la composition interfaciale, à la composition de la phase solide en croissance, par rejet de soluté dans la phase liquide. Ce principe, et les équations associées, conduisent à relier les compositions et écarts de potentiels chimiques aux vitesses d’interfaces et propriétés des milieux. Le modèle numérique [8] est couplé avec la méthode CALPHAD et les appels à l’outil Thermo-Calc [9] pour la détermination des grandeurs thermodynamiques nécessaires.
Dans son application à la solidification des alliages métalliques, le modèle PDM prédit des changements significatifs dans les compositions interfaciales au regard des valeurs d’équilibre. En exploitant les propriétés du système Ag-Cu [10], ces écarts sont rendus visibles et peuvent être confrontés aux approches classiques [1-4]. Ce modèle et les comparaisons réalisées avec les approches de la littérature actuelle sont présentées dans ce webinaire. De plus, l’intérêt de cette méthodologie sera illustré dans le cadre de l’étude de la solidification des alliages 316L en procédé FA, en étudiant la compétition de croissance entre différentes phases [7], et les évolutions de la ségrégation à la pointe dendritique (Fig. 1).
Références
[1] M.J. Aziz, Model for solute redistribution during rapid solidification, Journal of Applied Physics 53 (2), 1982, 1158–1168
[2] M.J. Aziz, Dissipation-theory treatment of the transition from diffusion controlled to diffusionless solidification, Applied Physics Letters 43 (6), 1983, 552–554
[3] M.J. Aziz, T. Kaplan, Continuous growth model for interface motion during alloy solidification, Acta Metallurgica 36 (8), 1988, 2335-2347
[4] M.J. Aziz, W. Boettinger, On the transition from short-range diffusion-limited to collision-limited growth in alloy solidification, Acta Metallurgica et Materialia 42 (2), 1994, 527–537
[5] C. A. Hareland, G. Guillemot, Ch.-A. Gandin, P. W. Voorhees, The thermodynamics of non-equilibrium interfaces during phase transformations in concentrated multicomponent alloys, Acta Materialia 241, 2022, 118407
[6] P. Martin, G. Guillemot, M. Bellet, F. Pichot, N. Leriche, Y. Mayi et Ch.-A. Gandin, Solidification path for rapid solidification – Application to multicomponent alloys for L-PBF, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 16th MCWASP conference, 1281 012062
[7] P. Martin, G. Guillemot, C. A. Hareland, P. W. Voorhees, Ch.-A. Gandin, Kinetic effects during the plane-front and dendritic solidification of multicomponent alloys, Acta Materialia 263, 2024, 119473
[8] Librairie PhysalurgY, CEMEF, physalurgy.cemef.minesparis.psl.eu
[9] Thermo-Calc, Thermo-Calc Software AB, Sweden, 2021, https://thermocalc.com
[10] J.L. Murray, Calculations of stable and metastable equilibrium diagrams of the Ag-Cu and Cd-Zn systems, Metallurgical Transactions A 15 (2), 1984, 261–268