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Webinaire #22 AFTherMat - Gildas Guillemot - 20240918

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 insuffisances, sur lesquelles nous nous proposons de revenir. En particulier, nous avons proposé, récemment, un nouveau modèle descriptif de la thermodynamique et du comportement des interfaces hors équilibres, 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]. Nous nous proposons de présenter le modèle et les comparaisons réalisées avec les approches de la littérature actuelle. De plus, nous montrerons l’intérêt de notre méthodologie dans le cadre de l’étude de la solidification des alliages 316L en procédé FA, en illustrant la compétition de croissance entre structures et [7], et les évolutions de la ségrégation à la pointe dendritique (Fig. 1). Des méthodologies seront aussi introduites pour faciliter l’exploitation des propriétés des diagrammes obtenus.