Les ségrégations chimiques à l’échelle du lingot (macroségrégations) font depuis longtemps l’objet de travaux, pour prédire leur étendue et leur intensité. Les ségrégations à l’échelle du grain (mésoségrégations, entre le mm et le cm dans la matière brute de solidification) sont étudiées dans le cadre de la thèse de Lucie Gutman (Thèse Cifre 2020-2024). Une méthodologie, basée sur la microfluorescence des rayons X (µXRF), a été développée. Elle permet de caractériser les mésoségrégations dans la matière brute de solidification ainsi que les « filets » ségrégés dans la matière forgée. Les avancées réalisées dans le cadre de cette thèse doivent être enrichies par une approche de modélisation à l’échelle centimétrique dont le but est d’expliquer les phénomènes à l’origine des mésoségrégations. Il s’agit des interactions entre les transferts de chaleur et des espèces chimiques, l’écoulement du liquide à l’échelle du grain et la solidification. Dans certaines conditions, les couplages forts entre ces phénomènes peuvent aussi induire des instabilités locales d’écoulement dans la zone pâteuse, initiant un ralentissement de la solidification voire une refusion locale, et conduire à la formation des canaux ségrégés (appelés veines sombres).
En outre, notre compréhension des phénomènes de ségrégation aux échelles méso et macro conduit à supposer que le développement de la macroségrégation positive dans la moitié supérieure du lingot repose au moins en partie sur la présence de veines sombres dans le corps du lingot. Ces canaux, dont la longueur est de l’ordre du mètre, drainent à travers la zone pâteuse un liquide enrichi en solutés et en impuretés (soufre et phosphore) depuis la partie inférieure du lingot jusqu’au niveau de la masselotte. En d’autres termes, l’intensité et l’étendue de la macroségrégation positive, à l’échelle métrique, pourraient beaucoup dépendre de phénomènes se produisant à l’échelle mésoscopique (millimétrique à centimétrique).
Enfin, l’analyse de la littérature, en particulier japonaise, et d’anciens travaux de Framatome mettent en évidence le rôle très important de la concentration en silicium de l’acier sur la formation des veines sombres et sur les mésoségrégations. Cet effet reste imparfaitement compris à ce jour et pourrait être un levier accessible à Framatome pour réduire l’intensité des ségrégations car il existe une certaine latitude en ce qui concerne le réglage de la concentration en cet élément. Il convient de rappeler que le silicium a bien été identifié dans le passé par les industriels français comme un élément délétère vis-à-vis de l’intensité de la macroségrégation positive (travaux de Comon en particulier).

Le travail se développera suivant un axe expérimental et un axe de modélisation numérique :
• Un programme expérimental à l’échelle du laboratoire mettra en œuvre de quelques centaines de grammes d’acier liquide à quelques centaines de kg.

• Une modélisation à l’échelle mésoscopique sera développée.

Le doctorant, recruté par Framatome sous contrat Cifre, sera localisé à Nancy, à l'institut Jean Lamour (IJL) et sera encadré par Miha Založnik, Jacob Kennedy et Julien Zollinger. Il aura accès à l'ensemble des moyens d'investigation disponibles à l'IJL. Il se déplacera régulièrement sur le site Framatome de La Défense pour échanger avec les métallurgistes de l’Ingénierie de Framatome. Il sera également en contact occasionnel avec l’aciérie du Creusot (Industeel, groupe ArcelorMittal) qui a en charge la fabrication des lingots de forge, ainsi qu’avec le Centre Technique Bourgogne de Framatome, qui dispose également de capacités expérimentales d’intérêt pour le travail à mener.

Le profil recherché est celui d'un ingénieur orienté "Science des Matériaux" à dominante Métallurgie. Les qualités attendues sont les suivantes :

- intérêt fort pour la Métallurgie et la Thermodynamique aussi bien du point de vue expérimental que de la modélisation,

- curiosité et attrait pour la démarche scientifique,

- autonomie et forte implication personnelle,

- bonne aptitude à la communication écrite et orale,

- capacité à travailler en équipe,

- capacité d'écoute et d'adaptation.