Directions de croissance et morphologie des microstructures en solidification cristalline directionnelle

Growth directions and morphology of microstructures in crystalline directional solidification

• Auteur / Autrice : Julein Deschamps
• Direction : Alain Pocheau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes complexes
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Température atmosphérique

Cristaux dendritiques

Dislocations dans les cristaux

Résumé

La these porte sur les effets d'anisotropie induits par croissance d'interfacerugueuse en solidification directionnelle. Ceux-ci se manifestent notamment par des directions de croissance variables des structures et des phenomenes morpho- logiques associées importants : dissymetrie, long cortege de branchements, instabilites. Cette etude est menee dans un premier temps sur des structures homogenes avant d'^etre etendue a des situations inhomogenes. Lorsque la vitesse de croissance augmente, la direction de croissance des dendrites s'oriente depuis une direction macroscopique donnee par le gradient thermique jusqu'a une direction microscopique axée par les symetries cristallines. Leur etude experimentale exhaustive a fourni ici un grand nombre de donnees dont le traitement a revele une symetrie interne. Celle-ci conduit a la selection d'une loi d'orientation fonction du nombre de Peclet et de l'ecart entre les directions fixes macroscopique et microscopique du probleme. Une nouvelle definition de la taille caracteristique des structures a cependant permis d'exprimer l'orientation relative des dendrites en fonction du seul nombre de Peclet par une courbe devenue independante de l'angle entre les deux directions fixes. La nouvelle loi ainsi obtenue est universelle car elle est independante de l'intensite du gradient thermique, des caracteristiques d'anisotropie et m^eme de la nature de l'alliage solidifie. Enfin, l'application locale aux fronts inhomogenes des resultats obtenus sur les fronts homogenes permettent de comprendre la dynamique propre engendree par des variations de taille de structures, d'orientation et d'intensite du gradient thermique.

The thesis adresses the implications of anisotropy induced by rough interface growth in directional solidification. They notably include variable growth directions and dramatic morphological effects such as asymmetry, set of very large sidebranches and instabilities. The study is first focused on homogeneous structures before being widened to inhomogeneous situations. As the growth velocity increases, the growth direction of dendrites turns from a macroscopic direction given by the thermal gradient to a microscopic direction prescribed by the crystalline symmetries. Their exhaustive experimental study has provided here a large number of data whose analysis reveals an internal symmetry. This symmetry leads to the selection of an orientation's law that is function of the Peclet number and of the angular distance between the fixed directions (thermal gradient and anisotropy). However, a new definition of the characteristic size of the growth structures has led the relative orientation of dendrites to only depend on the Peclet number and to be made independant of the angle between the two prescribed directions. This new law is universal since it is no longer parametrized by the intensity of the thermal gradient, the anisotropy features and the nature of the solidified alloy. Finally, the results obtained on homogeneous fronts are locally applied to inhomogeneous fronts. This enables the understanding of the dynamics implied by the variations of structure size, thermal gradient orientation and thermal gradient intensity.