In situ investigation by X-ray radiography of Microstructure Evolution during Solidification of Binary Alloys

• Auteur / Autrice : Georges Salloum Abou Jaoude
• Direction : Henri Nguyen Thi, Guillaume Reinhart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 18/11/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Lounès Tadrist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Nguyen Thi, Guillaume Reinhart, Hideyuki Yasuda, Markus Rettenmayr, Olivier Minster
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hideyuki Yasuda, Markus Rettenmayr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Champs magnétiques

Gravité réduite

Alliages aluminium-cuivre

Solidification

Mots clés libres

Solidification

Alliages Al-Cu

Radiographie X

Microgravité

Convection

Mouvements de fragments

Champ magnétique

Grains équiaxes

Zone pâteuse

Diffusion de soluté

Solidification

Al-Cu alloys

X-Ray radiography

Microgravity

Convection

Fragment motion

Magnetic field

Equiaxed grains

Mushy zone

Solute diffusion

Résumé

La radiographie X synchrotron ou avec une source microfocus a été appliquée pour étudier différents phénomènes dépendants du temps en relation avec la solidification directionnelle d'alliages Al-Cu. Les effets de la gravité ont été étudiés par comparaison d'expériences sur Terre et en microgravité dans le cadre du projet ESA-MAP XRMON. Les mouvements des fragments sont le sujet majeur de notre étude. Sur Terre, le mouvement des fragments est imposé par la poussée d'Archimède, avec une forte influence des effets de paroi et de la morphologie du fragment, alors qu'en microgravité, la force motrice pour le mouvement des fragments est l'écoulement du fluide interdendritique induit par la contraction du solide. L'effet d'un champ magnétique permanent sur la solidification des grains équiaxes dans un gradient de température a été également étudié. Nous avons montré qu'un couplage entre le gradient de température et le champ magnétique donne naissance à une force Thermo-électromagnétique qui agit sur les grains solides. Une bonne description a été obtenue en utilisant un modèle analytique pour une particule sphérique. Enfin, nous avons étudié l'évolution d'une zone pâteuse dans un gradient de température fixe. Trois régimes successifs ont été identifiés, suivant l'intensité de la diffusion du soluté dans la zone pâteuse et dans le bain fondu. L'analyse quantitative des radiographies par traitement d'image a clarifié le rôle de chaque phénomène de diffusion (TGZM, fermeture des canaux, murissement et diffusion du soluté dans le bain fondu).

X-ray radiography with synchrotron and microfocus sources was applied to investigate various time-dependent phenomena related to directional solidification of Al-Cu alloys. Gravity effects were investigated by a comparative study of ground and microgravity experiments in the framework of ESA-MAP XRMON project. Fragment motion was the major subject of our investigation. On Earth, fragmentation motion was imposed by buoyancy, with a strong dependency on wall influence and fragment morphology, whereas in microgravity conditions, the driving force for fragment motion is the interdendritic fluid flow induced by the solid shrinkage. The effect of a permanent magnetic field on the solidification of equiaxed grains in a temperature gradient was also studied. We have shown that a coupling between the temperature gradient and the magnetic field gives birth to a Thermo-Electro-Magnetic force that acts on the solid grains. A good description was obtained by using an analytical model for a spherical particle. Finally we studied the evolution of the mushy zone in a fixed temperature gradient. Three successive regimes were identified, depending on the relative magnitude of solute diffusion in the mushy zone and in the bulk liquid. Quantitative analysis of radiographs by image processing enlightened the role of each diffusion phenomena (TGZM, channel closure, coarsening and solute diffusion in the bulk liquid).