L’alloy design par le calcul thermodynamique avec Thermo-Calc

Thermo-Calc est un logiciel de thermodynamique qui permet aux métallurgistes, à partir du calcul de l’énergie de Gibbs,  de prédire les différentes propriétés thermophysiques d’un alliage métallique à l’équilibre (phases en présence, température de liquidus et solidus…). Cet outil numérique peut être utilisé pour optimiser un alliage ou développer un nouvel alliage (alloy design) en limitant le plan d’essais expérimental ultérieur et en le centrant sur les seuls éléments d’alliage susceptibles d’avoir un impact significatif sur les propriétés recherchées.

Énergie de Gibbs

Approche calphad de Thermo-Calc.

Approche calphad de Thermo-Calc.

L’enthalpie libre (ou énergie de Gibbs) est une fonction d’état – introduite par Willard Gibbs – généralement notée G qui est associée au deuxième principe de la thermodynamique. La démarche du calcul thermodynamique consiste à minimiser l’énergie de Gibbs pour caractériser un système à l’équilibre.

Pour cela, Thermo-Calc utilise une approche Calphad  (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermo chemistry) qui permet de tenir compte des interactions entre composition chimique, température et pression. L’énergie de Gibbs est calculée à partir de la formule suivante : G=a + b.T + c.T.ln(T) + d.T2 + e.T3 + f.T-1  où les différentes constantes (a, b, …, f) ont été déterminées pour les phases présentes dans de nombreux systèmes binaires et ternaires (bases de données thermodynamiques). Il est alors possible de les extrapoler aux systèmes complexes.

A quoi sert le logiciel Thermo-Calc ?

Diagramme d'équilibre base fer - Thermo-calc.

Diagramme d’équilibre base fer – Thermo-calc.

A partir de l’énergie de Gibbs, on peut déterminer les phases stables et métastables à l’équilibre (leur quantité, leur composition), les températures de transformation (liquidus, solidus…), tracer les diagrammes d’équilibre (binaire, ternaire, coupe isotherme, coupe pseudo binaire…), calculer différentes quantité –  volume molaire, masse volumique, coefficient de dilatation, énergie de fusion, capacité calorifique… – calculer la fraction solide des différentes phases présentes en cours de solidification à l’équilibre mais aussi dans les conditions de Scheil-Gulliver (redistribution des solutés au front de solidification). D’autres paramètres sont aussi accessibles tels que les propriétés magnétiques des alliages.

Energie de Gibbs pour un alliage binaire A-B.

Énergie de Gibbs (G) pour un alliage binaire A-B.

Estimation de la viscosité dynamique d’un alliage liquide

Estimation de la viscosité dynamique à partir de la loi d'Andrade.

Estimation de la viscosité dynamique à partir de la loi d’Andrade qui relit viscosité et température.

La viscosité dynamique – paramètre important pour la simulation en fonderie – peut par exemple être déduite des paramètres calculés par Thermo-Calc en appliquant la loi d’Andrade qui relit la viscosité à la température. La viscosité dynamique estimée à partir de Thermo-Calc est ainsi très proche des valeurs de la littérature et surtout plus proche que les valeurs tabulées. Même si des ajustements peuvent s’avérer nécessaires, cette estimation constitue une excellente donnée d’entrée pour anticiper le comportement d’un nouvel alliage ou d’étudier l’influence d’un élément. L’approche numérique est d’autant plus intéressante que la mesure de la viscosité des alliages métalliques liquides est délicate et d’un coût non négligeable.

Fraction massique en cémentite dans un acier

Thermo-Calc permet par exemple de calculer l’évolution des fractions massiques en cémentite et en liquide pour un acier à 1.2% de C et 13% de Mn dans les condition de Scheil entre 1100°C et 1400°C.

Evolution des fractions massiques en cémentite pour un acier.

Evolution des fractions massiques en cémentite et en liquide pour un acier à 1.2% de C et 13% de Mn entre 1100°C et 1400°C.

Les différents domaines d’utilisation de Thermo-Calc

Fraction solide acier bas carbone - Thermo-Calc et base de données.

Fraction solide acier bas carbone – Thermo-Calc et base de données matériaux.

Thermo-Calc peut être utilisé dans différents domaines : la simulation numérique (paramètres thermo-physiques de l’alliage servant de données d’entrée à la simulation de remplissage et de solidification), l’optimisation d’alliage (Alloy Design), le traitement thermique, la forge ou encore le matriçage.

 

Dilatation d'un acier - comparaison Thermo-Calc et base de données.

Dilatation d’un acier – comparaison Thermo-Calc et base de données.

Ainsi, les paramètres ρ , Cp ou fs (fraction solide) sont bien estimés avec Thermo-Calc. Seule la conductivité thermique reste en dehors du champ de calcul. La prédiction des températures de liquidus, de solidus et des phases en présence, que ce soit à l’équilibre ou dans les conditions de Scheil-Gulliver (qui décrivent la redistribution des fractions solide/liquide pendant la solidification), permet d’anticiper les températures de traitement thermique, de forgeage ou de matriçage. A partir des fractions massiques de phase, un métallurgiste peut estimer le comportement de l’alliage. Thermo-Calc est ainsi largement utilisé pour optimiser les aciers, les alliages base Ni, Co….

C’est donc un outil puissant pour réaliser un plan d’expérience numérique afin d’optimiser un alliage vis à vis de propriétés fonctionnelles recherchées. En élaboration des « aciers », la base «Oxydes » de Thermo-Calc permet de mieux définir la composition des laitiers voire des réfractaires de four.

Les deux modes d’utilisation de Thermo-Calc

Interface graphique de Thermo-Calc.

Interface graphique de Thermo-Calc.

Thermo-Calc peut être utilisé selon deux modes : le mode GUI (Graphical User Interface) et le mode Console. Le mode GUI utilise une interface graphique très conviviale qui permet par exemple de sélectionner les éléments d’alliage à étudier dans un tableau de Mendeleïev. Si ce mode d’utilisation est très intuitif, il peut cependant être limitatif dans le cas de projet important (grand nombres d’éléments d’alliages, interactions entre éléments, recherche multiples…). On utilise alors le mode Console, plus puissant, qui permet d’enregistrer les études dans un fichier LOG. Le mode Console permet ainsi d’enregistrer les recherches et de les modifier rapidement avant de les relancer, de personnaliser l’affichage du post processor, etc. ou encore de sélectionner finement les bases de données à utiliser.

Un outil de métallurgiste pour l’Alloy Design

Comme tout outil numérique, Thermo-Calc n’est pertinent que s’il est associé à un utilisateur expérimenté, ici un métallurgiste pour poser le problème (alliage binaire, ternaire, quaternaire, … et propriétés recherchées) et analyser les résultats (diagramme de phase, …). De plus, l’approche numérique ne dispense pas de réaliser des essais expérimentaux ultérieurs. Elle permet par contre un développement plus rapide, la prise en compte d’un grand nombre d’éléments d’alliage (ou impuretés) et enfin la réduction du plan expérimental ultérieur qui pourra se concentrer uniquement sur les éléments d’alliage pertinents. A ce titre Thermo-Calc est un outil indispensable pour tout développement métallurgique conséquent.

4 commentaires

  1. Jean-François Dionne says

    La simulation thermochimique est en effet très utile en amont du développement de nouveaux alliages. Elle l’est également pour tenter de comprendre plus en détail ce qui se passe dans les alliages existants. C’est un outil très intéressant mais qui n’est pas accessible à tous comme le dessin 3D.
    Mon expérience avec ce genre de calcul est assez limitée mais lorsque j’en ai besoin je consulte des spécialistes qui savent traduire mes idées et demandes en language informatique.
    L’article présente Thermo-Calc alors que mon expérience est plutôt avec FACT-Sage. GTT-Technologies (Gesellschaft für Technische Thermochemie und -physik GmbH)

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Jean-François et merci de votre commentaire et de votre retour d’expérience sur la simulation thermochimique. Effectivement, son utilisation demande une expertise métallurgique. Le CTIF utilise cet outil pour ses projets de R&D et ceux de ses clients.

  2. ThermoCalc est effectivement avant tout un logiciel de minimisation, il cherche pour les conditions initiales données, la combinaison de phases qui conduira à la minimisation de l’énergie et donc à l’équilibre.

    Il est important de comprendre que le plus important n’est pas le minimiseur : il en existe d’autres comme Pandat (http://www.computherm.com/), voire même des gratuits développés sur différents code comme Python (https://pycalphad.org/docs/latest/) ou le projet OpenCalphad (http://www.opencalphad.com/) notamment mené par Bo Sundman. Savez vous par exemple que JMatPro utilise des bases de données ThermoTech (http://www.thermotech.co.uk/databases.html) développées par Nigel Saunders mais que ces bases peuvent aussi être utilisées avec ThermoCalc ou Pandat ?

    L’important c’est la base de données ! Avec une même base, on obtient le même résultat, quel que soit le minimiseur utilisé. En revanche, avec une mauvaise base, c’est à dire non adaptée au problème posé, on obtient de mauvais résultats quel que soit le minimiseur !

    Par conséquent quand on dit qu’on utilise ThermoCalc, il faut toujours préciser la base de données utilisée pour réaliser ces calculs, sinon on ne sait pas de quoi on parle !

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Olivier. Merci de votre commentaire très interessant et de votre retour d’experience sur ce sujet. Nous sommes tout a fait d’accord avec l’importance des donnees d’entrée. Comme dit l’adage bien connu en simulation « garbage in, garbage out ». ThermoCalc nécessite – pour être utilisé a bon escient – une réelle expertise en métallurgie.

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