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Thermo-Calc - diagramme ternaire Al-Fe-Mn - isotherme a 1000°C.

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.

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.

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.

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 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 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 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.

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.

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.