Solidification isotherme du Si et d'Al-Cu : simulations numériques 3D en champ de phase

Isothermal solidification of Si and Al-Cu : 3D phase-field simulations

• Auteur / Autrice : Ahmed Kaci Boukellal
• Direction : Jean-Marc Debierre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 24/09/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Alain Pocheau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Drevet, Nathalie Mangelinck-Noël
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathis Plapp, Klaus Kassner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Simulation par ordinateur

Simulation quantique

Cuivre -- Alliages

Silicium -- Alliages

Solidification

Mots clés libres

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Résumé

La solidification isotherme du Si et d'Al-Cu est étudiée par des simulations numériques à 3D en champ de phase. A cet effet, des codes basés sur le modèle des interfaces diffuses fines de Karma "et al." sont développés. Les codes reproduisent les conditions expérimentales, ce qui permet d'établir une comparaison quantitative entre les résultats numériques et expérimentaux. Concernant le silicium, de nouvelles fonctions d'anisotropie de surface d'énergie et d'attachement cinétique sont proposées. Il se trouve que seule l'anisotropie d'énergie de surface est nécessaire pour l'obtention des formes d'équilibre. Néanmoins, la présence des deux fonctions d'anisotropie est indispensable pour reproduire les formes de croissance expérimentales. Pour Al-Cu, nous étudions la croissance et les interactions de dendrites équiaxes dans des échantillons minces refroidis à taux constant. Deux lois d'échelles sont proposées : la première concerne la vitesse de croissance maximale Vm d'une pointe de dendrite, tandis que l'autre concerne le temps ΔTm nécessaire pour qu'une pointe dendritique accélère de Vm/2 à Vm. Les deux lois dépendent de la concentration de l'alliage C0 et de la distance L entre deux germes initiaux croissant l'un vers l'autre. Cependant, le produit VmΔTm ne dépend que de L. Le passage d'une croissance confinée à une croissance purement 3D se fait avec l'augmentation de l'épaisseur de l'échantillon. Les mécanismes de sélection s'appliquent bien au cas présent durant le régime de croissance rapide en dépit de la variation temporelle de la supersaturation

We study isothermal solidification of Si and Al-Cu. To this aim, we perfom 3D phase-field simulations using the thin interface models developed by Karma's group. Our numerical conditions are based on the experimental ones. As a result, direct comparison between numerics and experiments leads to quantitative results. Concerning Si, we propose new anisotropy functions for the surface energy and the kinetic attachment. We find out that anisotropy of surface energy is solely responsible of the equilibrium shape, while both anisotropy functions are necessary to obtain acceptable growth shapes.Concerning Al-Cu, we study the growth and interactions of equiaxed dendrites in thin samples cooled isothermally at a constant cooling rate. We propose two scaling laws : one for the maximum growth velocity Vm and the other for the time ΔTm ellapsed between Vm/2 and Vm. Both quantities depend on the distance L between the two initial germs and the alloy concentration C0 but VmΔTm depends only on L. We also show that transition from confined 3D to fully 3D occurs when the sample thickness is increased. Finally, the free growth selection mechanism is found to hold in the fast growth regime even if the instantaneous supersaturation varies with time