Réunion des utilisateurs Thermo-Calc, Sophia-Antipolis, 30 octobre 2018

Dans le cadre des réunions utilisateurs du logiciel Thermo-Calc, un séminaire auquel a assisté CTIF s’est tenu le mercredi 30 octobre 2018, dans les locaux du CEntre de Mise En Forme des matériaux (CEMEF) de Mines ParisTech, à Sophia-Antipolis (06).Ce séminaire réunissait une cinquantaine de participants, dont une quinzaine d’industriels, des académiques, majoritairement français mais aussi belges et italiens, ainsi qu’une délégation de l’éditeur de logiciels de mise en forme Transvalor.
Cette réunion avait pour but de donner:

• un aperçu des développements et nouveautés pour les dernières versions en date de Thermo-Calc,
• des exemples d’application du logiciel illustrés par des cas concrets,
• l’occasion aux utilisateurs de remonter et partager leurs besoins en termes de simulations thermodynamiques et cinétiques.

Depuis sa création en 1997, Thermo-Calc est devenu le logiciel de référence pour la « thermodynamique numérique » et a vu son emploi largement se répandre, aussi bien chez les universitaires et institutionnels que les industriels.

Nouveautés

Il y a désormais deux mises à jour annuelles pour Thermo-Calc, en Juin et Décembre.
Pour les dernières livraisons, on peut retenir en particulier pour les différents modules :

• Thermo-Calc:
  • nouvelles bases de données thermodynamiques et « mobilités », 
  • calcul automatique de dispersion de propriété en fonction de la composition,
  • intégration de fonctions utilisateurs (user defined),
• Dictra:
  • mode graphique disponible (plus simple à utiliser que le mode commande),
• TC-Prisma:
  • calcul de diagrammes TRC (Continuous Cooling Transformations, CCT en Anglais),
  • possibilité de lancer des simulations avec une distribution de précipités pré-définie.

Cas d’application présentés :

Neuf cas d’application ont été présentés, que l’on peut résumer comme suit.

Calculs numériques « massifs » pour « métallurgie combinatoire »

• Alloy design for turbine blade application, Safran

Il s’agit d’un travail conjoint avec Polytech Nantes qui vise à identifier de nouvelles compositions d’alliages pour aubes de turbine.

• Massive Calphad calculations of High Entropy Alloys […], ICMPE,

Les alliages à haute entropie (High Entropy Alloys, HEA en Anglais) base Cr-Fe-Ni notamment, présentent un très bon compromis résistance mécanique/ductilité.

Etudes métallurgiques

Echelle micro

• KINE : a module of PhysalurgY for computation of eutectic growth kinetics with thermodynamic databases, CEMEF,

Illustration des développements menés par le CEMEF pour l’intégration des bases de données thermodynamiques de Thermo-Calc dans la simulation numérique des procédés industriels.

En l’occurrence, un modèle numérique de croissance eutectique a été mis au point et comparé aux modèles analytiques de la littérature (Jackson & Hunt notamment).

• […] Nitrogen effect on oxidation behaviour of Ti6242S alloy, CIRIMAT

Etude de l’oxydation à 650°C d’un alliage de Titane sous différentes atmosphères azotées (air synthétique vs mélange Ar-20%O₂). L’objectif est de préciser la répartition de l’oxygène entre oxyde superficiel et dissolution dans la matrice sous-jacente. Comparaison des simulations numériques réalisées avec la base de données TCNi1 et mesures expérimentales à la sonde atomique tomographique.

• Kinetic modelling of the austenite formation in Fe-Mn-Al-C steels, SIMAP

Afin de développer des aciers de 3^ème génération (Advanced High Strength Steels, AHSS) pour l’industrie automobile, on cherche à optimiser la microstructure de duplex base Fe-Mn-Al-C. 
Celle-ci est conditionnée par les traitements thermiques appliqués dont la dernière étape est un recuit intercritique. 
On vise alors à modéliser la genèse de la microstructure finale en prenant en compte les différentes phases impliquées ; ferrite, martensite et austénite ainsi que les carbures Kappa-k et cémentite. 
Deux scénarii sont testés pour la formation de l’austénite dont la cinétique est calculée à l’aide du module Dictra et de la base de données MOB2, amendée pour la diffusion du Manganèse dans l’austénite. L’ensemble des résultats est finalement confronté à des mesures expérimentales, voir Figure ci-après.

Cinétiques de conversion de martensite en austénite lors d’un recuit intercritique. Résultats de simulations Dictra, configuration plane, Temps en secondes en abscisse. Cellule élémentaire = latte de martensite, a) espace entre bâtonnets de cémentite b).

• Thermodynamics and kinetics studies related to Aerospace metallic materials, ONERA

Présentation de résultats de simulations Dictra et Thermo-Calc respectivement sur des alliages:

• base Nickel – diffusion de l’Aluminium entre « bond coat » et matrice (TCNi8),
• Ti-Al-W – forte ségrégation à la solidification, réaction péritectique (TCTi1),
• base Niobium – précipités orthorhombiques dans matrice B₂

Echelle macro

• The use of Thermo-Calc to improve the production of ferro-manganese and silico-manganese alloys, Eramet

Aide au pilotage d’installations industrielles par l’identification de points de fonctionnement optimums pour différentes réactions de conversion. Faute d’une base de données spécifique aux alliages de Manganèse, les équilibres métal/gaz/laitier sont calculés sous Thermo-Calc avec les bases Slag3 + TCFe7. Pour les silico-Manganèse, même démarche sur l’équilibre graphite/SiC, afin d’identifier le point de fonctionnement le plus avantageux d’un point de vue économique.

• Thermodynamic modelling of the Mo-Pd-Rh-Ru-Tc system, CEA

Les métaux de transition Mo-Pd-Rh-Ru-Tc sont produits au cours des réactions de fission. Ils peuvent alors interagir avec le combustible nucléaire ainsi qu’avec la gaine de ce dernier et causer des ruptures prématurées. Pour mieux comprendre et prévenir ces dysfonctionnements, il a été décidé de modéliser le système quinaire complet. Celui-ci est progressivement calculé via la méthode CALPHAD, en recourant à la littérature aussi bien qu’aux méthodes « Ab Initio ».

Ce travail ne constitue qu’une partie d’un très gros programme de recherche, « TAF-ID », qui vise à constituer une base thermodynamique internationale sur l’ensemble des matériaux du cycle nucléaire.

Approche multi-échelles

• Demonstration of ICME-based materials design, QuesTek Europe AB

Présentation de QuesTek Europe AB qui est depuis 2016 une co-entreprise (joint-venture) entre Thermo-Calc Software AB, éditrice du logiciel Thermo-Calc, et QuesTek Innovation LLC, pionnière américaine dans la « conception et l’ingénierie de matériaux par méthodes numériques intégrées», Integrated Computational Materials Engineering (ICME) en Anglais.

Son principe logique et rationnel peut se résumer à l’argumentaire suivant:

• la microstructure est centrale car :
• elle résulte de la composition chimique ainsi que des traitements thermo-mécaniques et thermo-chimiques appliqués,
• elle conditionne le comportement en service des matériaux,
• il est donc fondamental de pouvoir la modéliser.

A retenir

A côté des utilisations « traditionnelles » de Thermo-Calc comme support à l’étude détaillée de matériaux et/ou de processus métallurgiques, il faut noter le développement de « calculs massifs ». Dans cette pratique « brute », on exploite directement les bases de données thermodynamiques à des fins de prospection dans les espaces compositionnels où l’on cherche de nouveaux alliages. Ces espaces peuvent cependant rapidement atteindre des tailles gigantesques. De sorte que la gestion de la masse de résultats constitue en elle-même une difficulté, celle de la maîtrise des techniques du « Big Data ». En réponse, on peut mobiliser l’« Intelligence Artificielle » ou plus précisément des techniques de fouille de données (Data mining en Anglais). S’il est ainsi possible d’exploiter des données pré-existantes en établissant des corrélations inédites, on court néanmoins le risque d’en rester prisonnier et de ne pouvoir découvrir des matériaux véritablement nouveaux.

C’est pourquoi des approches par modélisation numérique multi-échelles, fondée sur des principes physiques, peuvent apparaître comme d’utiles compléments méthodologiques. 

L’inter-opérabilité de Thermo-Calc avec d’autres logiciels devient alors cruciale. C’est dans ce sens que sont proposées différentes interfaces de communication, allant de fonctions utilisateurs à la programmation en environnement Python ou l’utilisation directe de lignes de commandes.

Il faut donc au final souligner le développement d’une intégration croissante de la modélisation thermodynamique et cinétique dans les outils de simulation, depuis la conception jusqu’au comportement en service des matériaux.

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