Modélisation 3D de structures de grains par une approche automate cellulaire. Application à la compétition de croissance dendritique et à la cristallisation du silicium polycristallin

3D cellular automaton modeling of grains structures. Application to dendritic growth competition and cristallization of polycristaline silicon

• Auteur / Autrice : Adrian Pineau
• Direction : Charles-André Gandin, Gildas Guillemot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 21/11/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Mangelinck-Noël
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles-André Gandin, Gildas Guillemot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Mangelinck-Noël, Mathis Plapp

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages

Solidification

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Structure de grains

Silicium polycristallin

Automate cellulaire

Solidification

Compétition de croissance

Grains structures

Polycristalline silicon

Cellular automaton

Solidification

Growth competition

Résumé

Les structures de grains résultantes des procédés de solidification influencent fortement les propriétés d'une pièce industrielle. Ceci est notamment le cas pour les propriétés mécaniques des pièces de fonderie en alliage métallique, ou les propriétés électriques des cellules photovoltaïque de silicium. L'approche CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) permet de modéliser l'évolution des structures de grains dans les procédés de solidification à l'échelle macroscopique, mais nécessite des approximations aux échelles plus fines. Dans ce travail deux axes d'étude sont proposés. Premièrement, des simulations CA de compétition de croissance entre grains colonnaires sont réalisées pour un alliage de succinonitrile-0,4%pds acétone. Ceci est effectué en déterminant l'angle de joint grains en solidification dirigé. Ce travail est comparé à une étude champ de phase visant à étudier la relation entre orientations cristallographiques des grains en compétition et orientation de leur frontière. Les résultats obtenus avec l'approche CA sont très proches des résultats champ de phase pour un intervalle de taille de cellule centré autour de la marche maximale entre deux pointes de dendrites stationnaires de deux grains en compétition. La configuration d'Esaka, correspondant à une compétition de croissance dans un alliage de succinonitrile-1,3%pds acétone, a aussi été étudiée par l'approche CA. Le travail sur la croissance du silicium polycristallin a été réalisé dans le cadre du projet ANR CrySaLID. La méthode CA a été enrichie afin de permettre la modélisation de la croissance d'interfaces facettées et de la germination de grains en relation de macle sur ces interfaces. Ces développement utilisent des approches géométriques qui se basent sur des observations expérimentales in situ et ex situ. Le modèle résultant a été confronté expérimentalement et donne de bons accords qualitatif et quantitatif. Finalement, le modèle est appliqué à un cube de dimensions centimétriques. Il a été montré que les spécificités liées à la croissance du silicium polycristallin, à savoir la formation de facettes et la germination de grains en relation de macle, modifient drastiquement la structure de grains en comparaison avec une microstructure dendritique.

Grains structures obtained during solidification processes strongly influence the properties of technical products. It is specially the case for cast parts in metallic alloys, or for silicon photovoltaic cells. The CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) method aims to model grain structure evolution during solidification at a macroscopic scale, but also requires approximations at smaller scales. In this work, two distinct studies are proposed. First, CA simulations of growth competition among columnar dendritic grains are carried out for a succinonitrile-0.4 wt% acetone alloy. This is achieved by computing the grain goundary orientation during directional solidification. Comparisons are subsequently conducted with recent phase field results derived under the same conditions. An excellent agreement is found with phase field simulations results within arange of intermediate cell size centered around the maximum step between primary stationary dendrite tips of the two competing grains. The Esaka configuration, corresponding to a dendritic growth competition for a succinonitrile-1.3 wt% acetone alloy, is also studied. Polycristalline silicon growth was investigated within the ANR CrySaLID project. The CA method was enriched to allow facets growth and grains in twin relationship modeling. These developements use a geometrical approach based on in situ and ex situ experimental observations. The resulting numerical model was applied to experimental configurations and good qualitative and quantitative agreements were found. Simulations over a cubic and centimetric domain were lastly conducted. It was found that facets growth and twin nucleations strongly modify the grains structure compared to a dendritic microstructrure.