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La germination des premiers cristaux dans le liquide est le premier phénomène à maîtriser pour contrôler les structures du solide. Des résultats très prometteurs, relatifs à l’effet de la germination à différentes échelles, ont été publiés par plusieurs équipes faisant partie du GDR. A l’échelle atomique, il s’agit de la possibilité d’affiner (réduire) la taille de grain par l’ajout d’un élément chimique en faible proportion. Un mécanisme possible est l’apparition d’une phase précurseur présentant un ordre icosaédrique, ce que semble faire le chrome dans un alliage aluminium-zinc [Kurtuldu, 2013], ou l'iridium dans un alliage or-cuivre [Kurtuldu, 2014]. Pour poursuivre, il s’agit d'une part d’explorer d’autres systèmes, et d'autre part d’étudier l’applicabilité de cette nouvelle méthode d’inoculation aux procédés de solidification. Par ailleurs, l’étude de la coulée semi-continue d’aluminium avec particules inoculantes (TiB2; TiC) montre la nécessité de décrire l’histoire de ces particules, y compris leur mouvement dans le fluide [Bedel, 2014]. Pour les lingots d’acier, on montre que c'est la fragmentation dendritique qui domine la transition colonnaire-équiaxe [Leriche, 2014]. Il s’agit maintenant d’obtenir des prédictions à des échelles plus grandes, en milieu hétérogène.

(a) Dendrites d’aluminum dans un alliage Al-Cu (radiographie X synchrotron) (IM2NP) ;
(b) Dendrite <100> d’un alliage Al-Zn (tomographie X synchrotron) (LSMX) ;
(c) Nodule de graphite dans une fonte de fer (SEM-FEG) (CIRIMAT) ;
(d) Grains eutectiques lamellaires en solidification directionnelle d’un alliage transparent  (INSP).

Objectifs

Germination à l’échelle atomique
Le premier solide apparaît, dans un liquide surfondu, par germination de cristaux dont la dynamique de croissance déterminera la microstructure finale. Les théories standard, fort anciennes, ont échoué à donner une description correcte de ce processus. En l’absence de mécanismes de germination hétérogène sur substrat, on soupçonne depuis longtemps que la germination de phases cristallines (méta)stables est gouvernée par la distribution statistique d'un ordre local labile dans le liquide, avec des symétries parfois proches, parfois assez éloignées de celle du cristal, en fonction de la température et de la composition. Ceci est particulièrement vrai pour les liquides métalliques, ionocovalents, d’intérêt pour le GDR. L’idée de structures localement favorisées n’est pas nouvelle en soi puisque Frank dès 1952 a émis l’hypothèse d’un ordre local icosaédrique pour expliquer la surfusion de liquides métalliques [Frank, 1952]. Aujourd’hui, les simulations atomistiques (ab initio et classiques) sont devenues un outil de choix pour mettre en évidence cet ordre local et son influence sur les propriétés des liquides, y compris en régime de surfusion. Concernant la solidification, on peut aborder plusieurs questions de fond :
- L’ordre local est-il une propriété intrinsèque d’un mélange liquide, et comment évolue cet ordre en fonction de la température ?
- Quel en est l’impact sur les propriétés dynamiques comme la viscosité et la diffusion ?
- Comprend-on mieux les phénomènes de germination homogène et hétérogène ?
Pourrait-on (re)développer en France des méthodes de calcul, permettant d’accéder aux propriétés d’équilibre et de cinétique des interfaces solide-liquide ? Il s’agirait de s’inspirer de travaux récents menés, principalement aux Etats-Unis et au Canada, par des équipes très actives, mais elles-mêmes peu nombreuses. L’enjeu sera alors de jeter toute la lumière sur les effets d’anisotropie des propriétés interfaciales sur la sélection des microstructures, en allant, si possible, jusqu’à la croissance de systèmes facettés (silicium). Il y a là matière à recherche au niveau le plus fondamental. On peut aussi y inclure les études, encore très prospectives, sur l’élaboration d’alliages à quasi-cristaux ou vitrifiables, et de mélanges équimolaires aux propriétés thermodynamiques remarquables. On rejoint aussi l’un des thèmes de recherche métallurgique les plus sensibles : l’affinage des grains cristallographiques dans les pièces métalliques.
Germination à l’échelle mésoscopique
Dans les alliages inoculés (cf alliages d’aluminium), la vitesse de refroidissement à quantité d’inoculant fixée contrôle la taille de grain via un mécanisme de compétition germination-croissance. Ce mécanisme a été jusqu’à présent modélisé sur des systèmes élémentaires (de l’ordre du mm) de température et composition supposées uniformes. Il s’agit maintenant d’étudier l’effet local à l’échelle de chaque particule inoculante, d’hétérogénéités de température et de concentration induites par l’activation de nouveaux germes et la croissance des grains sur ce mécanisme de germination-croissance.
Compétition germination/fragmentation à l’échelle macroscopique
Cette partie sera réalisée en collaboration avec des partenaires industriels et mettra en œuvre en parallèle modélisation et essais sur site industriel. Des essais sur des lingots d’acier de taille réduite en complément à des essais sur des lingots de taille industrielle seront mis en œuvre pour identifier une loi reliant la densité de flux de fragments à des paramètres locaux comme la composition de l’alliage, la vitesse du front, le gradient de température et la vitesse du liquide devant le front.

Equipes concernées: INSP, LPMC, LSMX, IM2NP, CEA-INES, SIMAP, IRPHE, CIRIMAT, IJL.