Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

LMFA - UMR 5509
Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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Contrôle des écoulements pour l’élaboration de matériaux

V. Botton, D. Henry, S. Millet, H. Ben Hadid, B. Moudjed, R. Boussaa, M. Chatelain.

Collaborations :
D. Pelletier & M. Albaric (INES, Institut National de l’Energie Solaire, Chambéry), Y. Fautrelle & K. Zaidat (Laboratoire SIMAP/EPM, Grenoble), A. Pothérat & C. Pringle (Applied Mathematics Research Centre, Coventry, U.K.)

Ce pan de nos activités porte sur la transposition de l’expertise obtenue au cours des dernières années concernant les phénomènes convectifs à des contextes pré-industriels pour l’élaboration de matériaux. Les applications sont suffisamment importantes pour que nous fassions de cet axe de recherche une des priorités de l’équipe.

Les écoulements qui apparaissent dans les bains fondus lors de l’élaboration de matériaux (semi-conducteurs et alliages spéciaux) ont une grande influence sur la répartition en concentration des éléments dans les matériaux solides obtenus (phénomènes de ségrégation) et, lorsque ces écoulements sont dépendants du temps, ils sont responsables de défauts de composition se présentant sous la forme de striations. L’amélioration de la qualité de ces matériaux passe par une meilleure connaissance de ces mouvements dans la phase fluide et par leur contrôle. Les situations de solidification que nous étudions correspondent à des situations de Bridgman vertical (solidification par le bas, cas de la croissance du Silicium à l’INES) ou de Bridgman horizontal (solidification par le côté, cas de la solidification d’alliages métalliques (expérience Afrodite au SIMAP/EPM).

Dans le cas de la croissance du Silicium, l’effet recherché est un brassage du bain fondu pour une meilleure homogénéisation. Deux moyens sont à l’étude : un brassage par une hélice ou un brassage non-intrusif par acoustic streaming. Le brassage par hélice est étudié expérimentalement et numériquement par M. Chatelain dans le cadre de sa thèse (financement CEA), en collaboration entre l’INES et notre équipe. La problématique du brassage par acoustic streaming a été bien étudiée dans le cadre de la thèse de B. Moudjed (ARC Région Rhône-Alpes avec l’INES) avec en particulier la validation expérimentale d’un modèle numérique de force acoustique permettant la prise en compte de l’acoustic streaming dans des situations de jet. Dans le cadre d’un nouveau projet ARC récemment accepté, nous souhaitons modéliser (avec confrontation expérimentale) les situations plus complexes où des faisceaux acoustiques se réfléchissent sur une paroi ou se croisent. Nous étudierons ensuite les caractéristiques de ces écoulements d’acoustic streaming lorsqu’ils deviennent eux-mêmes oscillatoires, voire transitent vers la turbulence. Ces études seront réalisées dans le cadre d’une collaboration avec l’AMRC de Coventry qui permettra de réunir sur ce problème nos méthodes de continuation et leurs méthodes de croissance transitoire et d’étude de la transition vers la turbulence. Dans une optique plus appliquée à la solidification et en lien avec l’INES, nous souhaitons être capables d’estimer l’effet de ces mouvements sur la ségrégation des impuretés. Dans un premier temps, nous envisageons d’utiliser des modèles de ségrégation approchés, basés sur une estimation de la ségrégation à partir du cisaillement à l’interface (modèles développés à l’INES par J.P. Garandet).

Dans le cas de la solidification d’alliages métalliques sur l’expérience Afrodite, les lingots sont confinés transversalement et on applique une différence de température entre les parois d’extrémité pour, durant la solidification, favoriser la convection et le mélange des constituants qu’elle induit dans le bain fondu. Sur ce problème, la thèse de R. Boussaa nous a permis de retrouver, par simulation numérique tridimensionnelle de la solidification, les canaux ségrégés observés expérimentalement et qui sont des sources de fragilité dans les lingots solidifiés. Nous avons aussi montré qu’un modèle bidimensionnel intégrant une approche de Hele-Shaw (dit modèle 2D½) était capable de reproduire assez fidèlement les phénomènes observés. Nous souhaitons maintenant utiliser ce modèle 2D½ pour faire varier largement les paramètres du problème et trouver ceux qui limiteraient l’apparition de canaux ségrégés (thèse de I. Hamzaoui en collaboration avec l’USTHB d’Alger). Des confirmations de ces phénomènes pourraient être obtenues dans un deuxième temps par simulation tridimensionnelle et par des essais expérimentaux au SIMAP/EPM.