Dynamique de structures de solidification eutectiques: simulations numériques et expériences in situ

Topic description Les microstructures de solidification des alliages sont une trace laissée dans le matériau par les formes et les motifs qui apparaissent à l'interface mobile entre le solide et le mélange liquide. Fondamentalement, on sait que ces structures dépendent de la composition de l'alliage et des paramètres de contrôle, et les comportements d'échelle spatio-temporels associés sont bien établis. Cependant, la sensibilité de la dynamique de solidification aux conditions initiales et aux limites rend ces phénomènes intrinsèquement complexes – difficile à prédire et à contrôler. Ceci motive une recherche stimulante à l'intersection de la science des matériaux et de la physique non-linéaire des systèmes hors d'équilibre. La solidification eutectique est un cas paradigmatique dans ce contexte. Un eutectique binaire se solidifie directement en un solide biphasé présentant des microstructures composites aux multiples applications industrielles. En régime stationnaire de solidification directionnelle à une vitesse imposée et sous un gradient de température fixe, se forment généralement des microstructures lamellaires ou fibreuses très régulières. Ces deux types de structures sont en fait sujets à des instabilités morphologiques qui ont été intensivement étudiées à la lumière de la phénoménologie des modes d'instabilité par brisure de symétrie. Cependant, jusqu'à présent, la transition lamelles-fibres a résisté aux analyses standard. Il existe bien des éléments de preuve qu'une transformation d'une morphologie lamellaire à une morphologie fibreuse, et inversement, peut se produire dans un système donné suite à de légères variations des paramètres expérimentaux. Les informations sur cette bistabilité dynamique restent encore partielles. Des questions de fond sur la nature des modes d'instabilité sous-jacents, le rôle des processus propagatifs, la coexistence possible des deux structures et les paramètres d'échelle pertinents demeurent sans réponse. Les travaux du doctorat s'appuieront sur une méthodologie de recherche combinant expériences in situ et simulations numériques résolues en temps. Du point de vue expérimental, l'étude portera sur l'analyse de séries d'observations en temps réel obtenues lors de récentes campagnes scientifiques en microgravité menées à bord de la Station spatiale internationale (ISS), dans le cadre d'un projet piloté par l'Agence spatiale européenne (ESA) avec le soutien du CNES. De nouvelles expériences sont actuellement prévues, et les travaux de thèse contribueront à la préparation optimale de la prochaine campagne en microgravité. Du point de vue numérique, des modèles de champ de phase, développés depuis une vingtaine d'années, sont désormais capables de reproduire les processus de formation de structures lors de la solidification dans des systèmes tridimensionnels étendus. Les simulations et la théorie seront comparées à des images optiques en temps réel des fronts de croissance lors de la solidification directionnelle. À cette fin, deux axes de recherche principaux sont nécessaires. Premièrement, les codes de champ de phase existants seront portés sur des architectures de calcul modernes, notamment les processeurs GPU. Des simulations tridimensionnelles de la solidification eutectique seront réalisées, pour des paramètres d'alliage et des conditions de traitement correspondant aux expériences.Deuxièmement, des méthodes de traitement et d'analyse d'images numériques seront développées en collaboration avec un expert du domaine (A. Leclaire, Télécom ParisTech) afin de définir et d'extraire des paramètres géométriques pertinents (distribution de taille,corrélations de forme) à partir des images de motifs hybrides lamelles-fibres spatialement étendus. L'analyse d'images sera appliquée aux données expérimentales et numériques. Fondamentalement, tous ces éléments permettront de mieux comprendre l'évolution à grande échelle des structures ordonnées et désordonnées dans les systèmes dynamiques dissipatifs.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Solidification microstructures in alloys are a trace left behind in the bulk material by shapes and patterns that arise at the moving interface between the solid and the liquid mixture. The dependence of basic solidification microstructures on alloy composition and control parameters, and the relevant spatiotemporal scaling behaviours, are well established. However, the sensitivity of the emergent phenomena to initial and boundary conditions makes solidification intrinsically complex – difficult to predict and control – thus motivating an inspiring research with shared interest in materials science and the nonlinear physics of out-of-equilibrium systems. Eutectic solidification is paradigmatic in this context. A binary eutectic directly solidifies into a two-phase solid with composite microstructures of great industrial interest. In steady state, directional solidification at an imposed velocity in a fixed temperature gradient typically delivers lamellar or rod-like microstructures in the bulk. Both of these patterns are prone to morphological instabilities,which have been intensely studied under the light of the phenomenology of symmetry-breaking instability modes. So far, however, the so-called lamellar-rod transition has resisted standard analysis. There is evidence that a transformation from a lamellar morphology to a rod-like one, and vice versa, can occur in a given system upon mild variations of the experimental parameters. Information on this dynamic bistability still remains partial, and key questions on the nature of the underlying instability modes, the role of propagative processes, the possible coexistence of the two types of structures, and the relevant scaling parameters are left pending. The PhD work will be based on a research methodology that combines in situ experiments and time-resolved numerical simulations. On the experimental side, the study will analyse series of real-time observations of transparent alloys obtained during recent science-in-microgravity campaigns carried out in the International Space Station (ISS), in the framework of a project led by the European Space Agency (ESA), with the support of the French space agency (CNES). New experiments are currently planned, and the thesis work will contribute to the optimal preparation of the upcoming microgravity campaign. On the numerical side, so-called phase-field models have been developed since two decades that are now capable of reproducing the pattern-formation processes during solidification in extended three-dimensional systems. Simulations and theory will be compared with real-time optical images of the growth front patterns during directional solidification. For this purpose, work on two main axes is needed. First, the existing phase-field codes will be ported to modern computational architectures, in particular GPU processors. Three-dimensional simulations of eutectic solidification will be carried out, for alloy parameters and processing conditions that correspond to the experiments. Second, numerical image processing and analysis methods shall be developed in collaboration with an expert in this domain (A. Leclaire, Telecom ParisTech), with the aim to define and extract meaningful geometrical parameters (size distribution, shape correlations) from the images of spatially extended hybrid patterns. The image analysis will serve for both experimental and numerical data. On a fundamental level, all of these elements will cast new light on the large-scale evolution of ordered vs disordered structures in dissipative dynamic systems.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Début de la thèse : 01/10/ Funding category Funding further details Allocation doctorale AMX*Appel anticipé*Concours IPP ou école membre*Contrat Doctoral M4S*Financement d'un établissement public Français*