Imprimer

Résumé thèse Anwar HAMASAIID

-A +A

Transferts thermiques interfaciaux en fonderie en moules métalliques d'alliages légers

 

Anwar HAMASAIID - 5 juillet 2007

Dans les procédés de moulage en moule métallique, les transferts thermiques entre la pièce et le moule pendant la solidification sont limités par l'interface pièce-moule car la conductivité et la diffusivité thermique de ces derniers sont élevées. Ils jouent par ailleurs un rôle essentiel dans la détermination de la qualité de la pièce et la productivité des procédés. La connaissance précise du mode et de la quantité des transferts thermiques est aussi primordiale pour optimiser les procédés et rendre les calculs par les logiciels de simulation plus justes.

L'objectif de ce projet est d'étudier les transferts thermiques interfaciaux pendant la solidification des alliages légers dans les procédés de Fonderie Gravité (GDC) et Sous Pression (HPDC). Pour cela, nous avons développé des méthodes expérimentales, appropriées, permettant de mesurer les températures et les paramètres procédés d'une manière efficace et reproductible. Nous avons monté, calibré et adapté des capteurs aux moules qui permet de mesurer la température de la pièce coulée par une technique pyrométrique. Le capteur permet aussi de mesurer les températures dans des profondeurs différentes dans la paroi du moule avec des thermocouples très fins. Ainsi, nous avons effectué des centaines de cycles de moulage pendant lesquels trois alliages ASG03, AS9U3 et AZ91D ont été coulées selon ces deux procédées et dans les conditions différentes des paramètres procédés. Les mesures de température ont été ensuite exploitées par une Méthode Inverse (MI) pour évaluer le coefficient d'échange thermique (h) et la densité de flux de chaleur (q) à l'interface pour chaque cycle effectué. La précision de l'estimation par MI a été également vérifiée. Les résultats obtenus ont été comparés pour diverses conditions de procédé, de même pour les microstructures de quelques pièces produites.

Les résultats montrent que le poteyage est le paramètre qui gouverne le transfert thermique en GDC au travers de sa conductivité thermique effective faible. Le niveau élevé de porosité dans sa structure fait que sa composition n'a pas une influence considérable sur les valeurs maximales de transfert thermique. Néanmoins, elle peut influencer la variation de h pendant la solidification. Quant à la variation de h, elle peut être divisée en trois étapes en fonction des conditions du contact entre la surface de la coulée et celle du moule (liquide-solide, semisolide-solide and solide-solide). Les paramètres influents sur le transfert thermique sont différents en fonction de ces étapes. En outre, un pic secondaire à la fin de l'étape semisolide-solide a été observé. L'observation de la microstructure des pièces produites indique que ce pic secondaire serait lié à l'exudation de liquide (Al-Si) de l'intérieur de la pièce vers l'interface à travers la couche partiellement solide qui est formée près de la surface de la pièce.

En HPDC, les valeurs de h son nettement plus importantes qu'en GDC (105 Wm-2K-1 au lieu de quelque 103 Wm-2K-1). La variation est aussi beaucoup plus rapide, puisque la moyenne partie de la puissance transmise se fait en 1 s environ (au lieu de 30 s en GDC). Il a été observé que la situation du contact liquide-solide n'existe pas vraiment car la pièce injectée est généralement déjà partiellement solide. L'évolution très rapide est attribuée à une modification de la qualité du contact lors de la solidification, alors même que la puissance de contact reste élevée.

La pression générée dans la cavité par l'énergie cinétique de la vitesse de deuxième phase (remplissage) s'avère être le paramètre le plus influent sur les transferts thermiques en HPDC. Il faut distinguer cette pression de celle d'intensification qui est appliquée à la cavité pendant la troisième phase. Aucune influence de la pression d'intensification n'a été observée dans nos essais expérimentaux. L'application de lubrifiant peut aussi influencer les transferts thermiques à travers une éventuelle amélioration de contact pièce-moule par celle-ci.

Nous avons développé des modèles analytiques prédictifs pour la Résistance Thermique de Contact (RTC) à l'interface liquide-solide en général. Les caractéristiques de la topographie de la surface du solide et du liquide sont prises en compte dans les modèles, telles que la rugosité, la couche d'air emprisonnée à l'interface, la pression, la tension superficielle du liquide, etc. Quant à la couche moyenne d'air emprisonnée, elle est déterminée à partir de la mécanique du contact à l'interface. La mécanique de contact s'avère être différente en fonction de la porosité à la surface du matériau solide. Si la surface du solide est non-poreuse, l'air emprisonné à l'interface est comprimé créant une pression inverse. Par contre, si la surface du solide est poreuse, l'air n'est pas comprimé et le contact est seulement conditionné par la pression, la tension superficielle du liquide et la rugosité de la surface du solide. Ces modèles permettent de calculer la densité et le rayon de microcontacts à partir de la couche moyenne d'air emprisonné. La densité et le rayon des microcontacts sont par la suite employés dans la théorie des tubes de flux de chaleur afin de calculer la RTC à l'interface liquide-solide.

Les modèles ont été appliqués sur le contact pièce-moule en HPDC et GDC pendant la première phase du contact (liquide-solide). Le h calculé s'avère être conforme aux résultats expérimentaux. L'extrapolation des modèles fournit informations importantes sur le rôle de l'interface pièce-moule dans les transferts thermiques en procédé de GDC et HPDC. Elle montre que l'effet des paramètres concernés, tels que la pression et la rugosité s'avère être différents d'un procédé à l'autre en fonction de la mécanique de contact.

La variation de RTC a été également dérivée à partir du développement de la fraction solide dans la pièce pour HPDC car les données expérimentales ont montré que il y un front solide près de l'interface pendant la solidification de la pièce en HPDC. Mais en GDC, les données expérimentales ont montré que ce front n'existera pas. Ainsi la pièce se trouve conjointement gélatinée et par la suite solidifiée.

Mots clés :
Solidification, Fonderie sous pression, fonderie gravité, Résistance thermique de contact, Transferts Thermiques, Aluminium, Magnesium