Missions

Pour l'IJL, il s'agit dans le cadre de ce post-doc d'apporter à EDF des éléments de compréhension de la formation des ségrégations en éléments d'alliage et notamment en cobalt qui se développent pendant la solidification des fontes élaborées à partir des aciers récupérés par EDF. Ces aciers contiennent des éléments radioactifs pour lesquels il s'agira de fournir des informations sur les risques de concentration de ces éléments soit dans un précipité soit au niveau de la composition moyenne locale (macroségrégations). Le lien entre ces informations et la radioactivité induite devra être établi par EDF. Le projet est structuré autour de cinq lots :
1. Etude bibliographique sur la formation de macroségrégations lors de la solidification de fontes ;
2. Simulation avec le code SOLID® de la formation des macroségrégations dans le cas de la solidification d'un lingot de 11 kg coulé par EDF en considérant les données thermodynamiques constantes ;
Le contenu du lot 3 sera décidé suivant les résultats de l'étude du lot 1 :
3.
a) Prise en compte de la variabilité des données thermodynamiques dans le code SOLID par une méthode de régression par réseaux de neurones à partir des calculs ThermoCalc® ;
b) Prise en compte de la diffusion des espèces chimiques dans la phase liquide à l'échelle macroscopique ;
4. Simulation de scenarios extrêmes pouvant conduire à la formation de macroségrégations ou de phases concentrées en éléments radioactifs ;
5. Rédaction du rapport final.

Activités

Descriptif du lot 1 : Etude bibliographique sur la formation de macroségrégations lors de la solidification de fontes. Une recherche bibliographique sur les études rapportant la formation de macroségrégations lors de la solidification de fontes sera menée. Cette étude permettra notamment de définir les cas extrêmes de conditions de coulées susceptibles de conduire à la formation de macroségrégations. Les gammes de composition d'alliage retenues pour cette étude seront également définies à cette étape.

Descriptif du lot 2 : Simulation avec le code SOLID® de la formation des macroségrégations dans le cas de la solidification d'un lingot de 11 kg coulé par EDF en considérant les données thermodynamiques constantes. Les conditions aux limites à adopter pour reproduire la solidification du lingot de 11 kg seront identifiées en se calant sur les mesures de température effectuées lors des essais de coulée. Les données thermodynamiques nécessaires en entrée du code SOLID® seront tirées de l'étude faite dans le lot 1. Les micrographies fournies par EDF permettront de déterminer les caractéristiques microstructurales nécessaires en entrée du code SOLID® comme la distance moyenne entre bras secondaires de dendrites. Une réflexion sera conduite sur la meilleure solution à adopter pour décrire le plus fidèlement possible la fin de solidification c'est-à-dire le moment où une phase solide autre que l'austénite se forme. Cette partie permettra également de tester la robustesse du code SOLID® pour les éléments d'alliage dont le coefficient de partage est plus grand que l'unité tel le silicium. Enfin, les phases ainsi que leur composition seront calculées en post-traitement des calculs SOLID® avec le logiciel ThermoCalc® de façon à caractériser le risque de formation de phases riches en éléments radioactifs.
Le contenu du lot 3 sera décidé suivant les résultats de l'étude du lot 1 :
• Si les coefficients de partage et pentes de liquidus varient de manière importante dans l'intervalle de solidification et ne peuvent pas être considérés constantes, le lot 3 consistera à prendre en compte la variabilité de ces données thermodynamiques dans le code SOLID® par une méthode de régression par réseaux de neurones à partir des calculs ThermoCalc® (Lot 3-a).
• Si les variations des coefficients de partage et pentes de liquidus s'avèrent négligeables, le lot 3 consistera à prendre en compte la diffusion des espèces chimiques dans la phase liquide à l'échelle macroscopique (Lot 3-b).

Descriptif du lot 3.a : Prise en compte de la variabilité des données thermodynamiques dans le code SOLID par une méthode de régression par réseaux de neurones à partir des calculs ThermoCalc®. Des données thermophysiques seront générées à l'aide du logiciel ThermoCalc®, elles serviront pour alimenter un réseau de neurones qui générera des matrices de régression permettant de prendre en compte avec le code de calcul SOLID® la variabilité des données thermophysiques. Des simulations avec le logiciel SOLID® seront ensuite menées pour étudier l'effet de la variabilité de ces données sur les macroségrégations et sur la microségrégation dans le cas du lingot de 11 kg.

Descriptif du lot 3.b : Prise en compte de la diffusion des espèces chimiques dans la phase liquide à l'échelle macroscopique.
Du fait de la forte fraction de solide qui se forme sur un faible intervalle de température en fin de solidification, il est possible qu'une macroségrégation puisse se former en fond de zone pâteuse. Dans ce cas, la diffusion du soluté dans la phase liquide à l'échelle macroscopique peut jouer un rôle important. Elle n'est actuellement pas décrite dans le code SOLID®. L'équation de transport de soluté dans la phase liquide sera complétée pour tenir compte de ce phénomène et les termes supplémentaires seront implémentés dans le code SOLID®. L'effet de la diffusion sur la formation de macroségrégations sera ensuite étudié.

Descriptif du lot 4 : Simulation de scenarios extrêmes pouvant conduire à la formation de macroségrégations ou de phases concentrées en éléments radioactifs.
Les cas à risque de formation de zones ségrégées en éléments radioactifs définis dans le Lot 1 seront simulés à l'aide du code de calcul SOLID®. Une analyse en post-traitement avec le logiciel ThermoCalc® viendra compléter cette partie pour déterminer les risques de formation de phases enrichies en éléments radioactifs.

Descriptif du lot 5 : Rédaction du rapport final

Compétences

Phénomènes de transfert chaleur, masse, quantité de mouvement, solidification, simulation numérique (méthode des volumes finis), modélisation simulation des procédés
Compétences techniques : programmation Fortran
Bonne maîtrise de l'écriture scientifique

Contexte de travail

L'Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l'Université de Lorraine. Il est rattaché à l'Institut de Chimie du CNRS.
Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
L'IJL compte 263 permanents (30 chercheurs, 134 enseignants-chercheurs, 99 IT-BIATSS) et 394 non-permanents (182 doctorants, 62 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 150 stagiaires), de 45 nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays.
Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus Artem à Nancy.
L'étude sera réalisée au sein de l'équipe Solidification.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.