Dynamical microstructure formation in 3D directional solidification of transparent model alloys : in situ characterization in DECLIC-DSI under diffusion transport in microgravity

par Liang Chen

Thèse de doctorat en Matière condensée et Nanosciences

Sous la direction de Bernard Billia et de Nathalie Bergeon.

Le président du jury était Bernard Zappoli.

Le jury était composé de Bernard Billia, Nathalie Bergeon, Marc Georgelin.


  • Résumé

    Afin de clarifier et caractériser les mécanismes fondamentaux de formation des réseaux étendus cellulaires et dendritiques en régime diffusif, des expériences de solidification dirigée permettant l’observation in situ en temps réel de l’interface solide-liquide d’un alliage transparent ont été réalisées dans l’instrument « DECLIC-DSI» à bord de la Station Spatiale Internationale. Des procédures spécifiques d'analyse d'images ont été développées pour caractériser les réseaux et extraire des données de référence à comparer aux modèles théoriques ou numériques. Les mécanismes d’évolution et de sélection de l'espacement primaire sont décrits et reliés à la courbure macroscopique de l'interface qui apparait comme un paramètre important de la dynamique de réseau. L’obtention de réseaux homogènes étendus nous a permis d'observer des instabilités secondaires du régime cellulaire pour la première fois dans des systèmes tridimensionnels: Oscillation et multiplet structure. Nos analyses mettent en évidence l'absence de cohérence globale de l’oscillation, exceptée dans des zones localement ordonnées dans lesquelles les oscillations de cellules voisines peuvent être synchronisées. Dans une autre gamme de paramètres de contrôle, la formation de multiplets -autre type d'instabilité secondaire- a été observée. La structure et la dynamique de ces multiplets est décrite. Enfin, des essais comparatifs ont été réalisés au sol, pour les mêmes paramètres de croissance, afin de clarifier l'influence de la convection. Les différences entre les expériences au sol et en microgravité, en particulier concernant l'espacement primaire, sont reliées à l'amplitude de la convection.


  • Résumé

    To clarify and characterize the fundamental physical mechanisms active in the formation of three-dimensional (3D) arrays of cells and dendrites, in situ monitoring of series of experiments on a transparent alloy was carried out under low gravity in the DECLIC-DSI on-board the International Space Station. Image analysis procedures have been developed to characterize the patterns and get benchmark data to compare with theoretical or numerical modelling. The mechanisms of primary spacing evolution and selection are described and related to the macroscopic interface curvature that appeared to be a critical parameter. The extended homogeneous patterns obtained in microgravity enabled us to observe secondary instabilities of the cellular pattern for the very first time in 3D patterns: cell oscillation and multiplet structure. Our analyses highlight the absence of global coherence of cell oscillations, except in locally ordered areas where synchronization of neighbor cells may happen. In another range of control parameters, another type of secondary instability has been identified that corresponds to multiplet formation; the structure and dynamics of those multiplets are also described. Finally, comparative experiments have been performed on ground with similar growth parameters to point out the influence of convection. The differences between ground and microgravity results, especially regarding the primary spacing, are related to fluid flow magnitude.


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