Study of the influence of external fields on solidification microstructures formation by X-ray radiography

par Lara Abou Khalil

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences

Sous la direction de Henri Nguyen Thi et de Guillaume Reinhart.

Le président du jury était Klaus Kassner.

Le jury était composé de Pierre Müller.

Les rapporteurs étaient Charles-André Gandin, Kader Zaïdat.

  • Titre traduit

    Etude de l'influence de champs externes sur la formation des microstructures de solidification par radiographie X


  • Résumé

    La radiographie X, synchrotron et avec une source de laboratoire, a été appliquée pour étudier des phénomènes en relation avec la solidification directionnelle d’alliages Al-Cu sous champs externes et dépendants du temps. La formation des microstructures de solidification a été analysée durant des campagnes des vols paraboliques dans le cadre du projet XRMON. Nous avons montré que les variations du niveau de gravité modifiait la couche solutale, et donc la surfusion du liquide devant l’interface solide/liquide. En particulier, l’accélération du niveau de gravité induit une transition Colonnaire-Equiaxe pour un alliage affiné. Pour un alliage non-affiné, la vitesse de croissance des dendrites varie suivant les variations du niveau de gravité durant chaque parabole. Le second volet de ma thèse concerne l'effet d'un champ magnétique permanent sur la solidification équiaxe dans un gradient de température. Nous avons établi que le couplage entre le champ magnétique et le gradient de température génère une force Thermo-Electro-Magnétique qui modifie la trajectoire des grains équiaxes au cours de leur sédimentation. L’action de cette force est bien décrite par le modèle analytique de Wang et al., moyennant des corrections associées au confinement et à la morphologie des grains. Certains effets du champ magnétique sur le liquide ont été également révélés.


  • Résumé

    X-ray radiography with synchrotron and laboratory source was applied to study phenomena related to the directional solidification of Al-Cu alloys under external fields and time-dependent. The solidification microstructures formation has been analyzed during parabolic flight campaigns in the framework of XRMON project. We have shown that the gravity level variations modified the solutal layer and then the liquid undercooling ahead of the solid/liquid interface. In particular, the acceleration of gravity level induces the Columnar-to-Equiaxed transition in a refined alloy. For a non-refined alloy, the dendrite growth velocity changes with respect to the gravity level variations during each parabola. The second part of this thesis relates to the effect of a permanent magnetic field on the equiaxed solidification in a temperature gradient. The coupling between the magnetic field and the temperature gradient generates a Thermo-Electro-Magnetic force that modifies the equiaxed grains trajectory during their sedimentation. The action of this force is well described by an analytical model proposed by Wang et al. with additional corrections associated to the wall confinement and the grain morphology. Effects of the magnetic field on the liquid have been also revealed.


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