Les deux thèmes précédents concernent avant tout la métallurgie de pièces massives obtenues par solidification lente d’alliages métalliques. Les traitements de surface, le soudage et la fabrication additive (à partir de poudres) font appel à des procédés de fusion/solidification localisées (dimension « au plus » millimétrique des zones fondues) et ultra-rapide (pouvant dépasser le m/s), qui soumettent l’alliage à des surfusions telles que l’équilibre thermodynamique peut ne plus être satisfait localement. Dans ces domaines où la recherche est fortement tirée par les applications et l’obtention de propriétés d’emplois satisfaisantes, il est nécessaire de développer les connaissances fondamentales d’établissement des structures de solidification en les reliant aux paramètres des procédés (gradients, vitesse, composition).

Outre la physique des procédés de mise en œuvre qu’il est important de caractériser (interaction rayonnement-matière, liquéfaction, évaporation, mouvements thermo- ou chémo-capillaires, ajout/dilution de matière), nous listons ci-après quelques paramètres spécifiques à ces procédés pour lesquels le développement de connaissances fondamentales reliées à la solidification est aussi important :

i) Hormis le cas particulier de l’élaboration de gouttelettes (atomisation), l’ensemble des procédés évoqués fait appel à une étape de refusion locale d’un substrat et/ou d’un métal d’apport. Les mécanismes et cinétiques de la refusion sont encore mal décrits, ainsi que l’importance ou non de cette étape sur les mécanismes de germination et de solidification ultérieurs.
ii) Les fortes surfusions et l’augmentation conséquente de vitesse de solidification (d’une vitesse nulle en fin de refusion à une vitesse de l’ordre du m/s) peut s’accompagner d’un écart substantiel à l’équilibre thermodynamique à l’interface, et de transitions morphologiques (front plan/cellule/dendrite). Ces phénomènes sont qualitativement connus et décrits individuellement par la thermodynamique des processus irréversibles, mais ils interviennent ici de manière fortement couplée. Ceci nécessite encore le développement de modélisations et d’expérimentations fines pour prédire quantitativement à la fois les étapes de germination et de
sélection de phases solides stables ou métastables, ainsi que les morphologies de croissance.
iii) On peut ajouter au point ii) une complexité supplémentaire, à savoir la présence de gradients de concentration dans des environnement compliqués (assemblages hétérogènes ou fabrication additive de matériaux à gradient), qui rend encore plus difficile la prédiction des évolutions microstructurales. A ce jour aucun modèle ne prend en compte ces facteurs, dont on soupçonne pourtant l’impact important sur les processus visés.
iv) Ces procédés imposent de très forts gradients thermiques, qui induisent nécessairement des contraintes mécaniques élevées. Ces contraintes peuvent dans certains cas conduire à une fissuration à chaud, mais aussi à un phénomène de recristallisation. En fabrication additive et soudage multi-passes, le développement de contraintes et leur influence sur les étapes ultérieures de solidification (texturation/ germination) doit être plus précisément déterminé.

Dans ces procédés, les conditions aux limites sont très contraignantes, les gradients thermiques extrêmes, et la dynamique de solidification ne peut pas facilement être reproduite par des expériences de laboratoire habituelles. C’est un domaine où il est très difficile de séparer les phénomènes en jeu de la technique du procédé lui-même. Pour avancer dans la maîtrise de ces procédés il est nécessaire de documenter précisément les points spécifiques concernant, pour ne citer que quelques exemples :

(1) l'obtention via une instrumentation adaptée de données pertinentes à l'échelle de la zone fondue (cycles thermiques, mouvements convectifs complexes liés à des gradients thermiques élevés),
(2) l'élaboration et la mise en œuvre des matériaux primaires (en particulier les poudres atomisées utilisées en fabrication additive),
(3) l'identification de microstructures complexes (issues par exemple de gradients ou d'assemblages de matériaux hétérogènes), via la définition des chemins de solidification associés.