24 Octobre 2014

Insert DSI

Contexte

C'est durant la phase de solidification des alliages que se développent au niveau de l'interface solide-liquide des microstructures dont les caractéristiques influencent fortement les propriétés du matériau. L'étude des mécanismes physiques qui régissent la formation de ces microstructures est donc fondamentale dans l'optique d'une maîtrise de la qualité du produit. Sur terre, la convection dans la phase liquide peut fortement affecter la microstructure de solidification en créant des hétérogénéités dans les paramètres de contrôle (concentration, vitesse de croissance et gradient thermique) le long de l'interface ; ce phénomène n'est évitable qu'au prix d'une réduction drastique de la dimension des échantillons étudiés (échantillons 2D ou en tube capillaires). Cependant, cette réduction de taille modifie les mécanismes impliqués dans la formation des structures et les résultats ne sont donc pas directement transposables à une solidification standard, c'est-à-dire en 3D. Dans le but de pouvoir contrôler cette convection tout en conservant des échantillons 3D, nous avons développé avec le CNES dans le cadre du projet Declic un dispositif d'étude de la solidification dirigée d'alliages transparents (matériaux organiques modèles des alliages métalliques), destiné à être installé dans la Station Spatiale Internationale.

Objectif Scientifique

Principe de la solidification dirigée :
Tirage d'un alliage (concentration
en soluté C) à vitesse constante V
dans un gradient thermique G
 Principe de la solidification dirigee
Objectif
Identifier et comprendre les
phénomènes physiques qui
gouvernent la dynamique de
sélection de la microstructure
en solidification dirigée 3D
 
Dans quels cadres ?
  • Métallurgie / Elaboration : influence de la microstructure sur les propiétés
    macroscopiques. Pour contrôler ces propriétés, il faut contrôler les microstructures.
  • Physique fondamentale : étude des phénomènes hors-équilibre, instabilités

Pourquoi la microgravité ?

Solidification d'échantillons massifs sur terre : CONVECTION
 
Couplage de la convection avec
l'instabilité morphologique
 
Hétérogénéité de la
microstructure
 
Convection thermique
(ex : SCN pur)
Convection thermique
 Couplage solutal
(ex : SCN + soluté)
Couplage solutal
 Solidification d'echantillons massifs sur terre
SCN - 0.3 %pds H2O, V = 10 µm/s,
G = 30 °C/cm - Diamètre : 10 mm
 
Elimination possible de la convection sur terre ? OUI... MAIS
 
1 Par des expériences en lames minces...
MAIS : Influence de l'épaisseur : asymétrie du champ de diffusion
et des branchements secondaires
Experience en lames minces
 
2 Par des expériences en tubes capillaires
Approximation d'une cellule ou dendrite
dans un réseau hexagonal parfait
MAIS :Interaction avec les voisins et
dynamique de réseau inaccessible
(ne correspond pas à des réseaux étendus)
Experience en tubes capillaires

Programme scientifique

Réseaux étendus et homogènes : Echantillons massifs + microgravité
Etude dynamique des phénomènes : Alliages transparents pour
permettre l'étude in situ en temps réel
 
Etudes :Caractérisation des cellules et dendrites (tailles, rayon de
courbure, vitesse...)
Dynamique de réseau (formation, sélection de la taille,
ordre/désordre, hystérésis)
Forme d'interface
 
Analyses :Données de références : validation des modèles
théoriques et/ou numériques
Caractérisation de la dynamique de formation de la
microstructure en régime de transport dominé par la diffusion
Effet de la convection (comparaison aux expériences 1g)

Effet de la courbure d'interface sur le réseau cellulaire

Glissement du réseau cellulaire le long de l'interface

SCN 0.1% pds camphre 
G = 20 °C/cm
 Inversion de la courbure :
 => Modifications du sens de la
 convection et de la localisation
 de la microstructure

 => Inversion du glissement
 des cellules

Formation et dynamique du réseau dendritique

1ers stades de développement du réseau
 

 
Réseau stationnaire correspondant
 

 
Choix de la direction de croissance <100> la plus proche du gradiant thermique

(SCN - 0.3% pds eau ; V = 20 µm/s ; G = 13 K/cm ; diamètre : 10 mm)
 

Caractérisation des pointes des dendrites

 
Analyse fine des franges
d'interférométrie au sommet
des dendrites

 
 

Reconstruction précise de la forme
de la pointe

SCN - 0.1% pds camphre V = 20 µm/s G = 14 K/cm

Analyse des vitesses
de pointes :
dynamique du réseau
SCN - 0.35% pds H2O G = 15 K/cm V = 15 µm/s