Effects of solid-solid boundary anisotropy on directional solidification microstructures
Effects de l'anisotropie solide-solide sur les microstructures de solidification directionnelle
Résumé
The microstructures arising from the solidification processing possess
various types of boundaries: solid(S)-liquid(L) interfaces, grain
boundaries (GB), interphase boundaries (IB). Whereas solid-liquid
interface has been investigated extensively, relatively little
attention has been paid to the S-S boundaries (GB and IB). Recently,
it has been found that S-S boundary anisotropy can also have a
significant influence, particularly on the overall orientation
selection of the growing patterns. The present thesis investigates the
effects of GB and IB anisotropy through simulations of solidification
morphologies.
We use a recent multi-phase field model for this study. In essence, we
work with a grand-canonical functional combining the interfacial and
bulk free energies of the system and then minimising it with respect
to the field variables to obtain the equations of motion for the phase
fields and the composition fields. We use this code to study three
problems stemming from the directional solidification of lamellar
eutectics and polycrystals with a particular focus on the effects of
the solid-solid boundary anisotropy.
During thin-film directional solidification experiments on lamellar
eutectics, it has been observed that in response to the IB anisotropy,
lamellae grow at an angle with the growth axis. We characterize this
drift angle using our numerical simulations and then compare it
successfully with a recent theoretical prediction. Then, we exploit
this IB anisotropy in bulk lamellar eutectics to understand the
emergence of certain minimum energy directions in the system leading
to preferred orientations in the microstructure. Then, we repeat our
thin-film eutectic study for polycrystals with grain boundaries,
motivated by the fact that anisotropic low-angle grain boundaries or
sub-boundaries grow at an angle with respect to the growth axis. We
quantify this tilt angle and compare it successfully with a recent
analytical prediction. In this way, we establish the influence of the
solid-solid boundary anisotropy on the directionally solidified
microstructures.
Les microstructures qui se forment lors de la solidification d'alliages
contiennent différent types d'interfaces: des interfaces solide-liquid (SL),
des joints de grain (grain boundaries, GB) et des joints interphase
(interphase boundaries, IB). Tandis que les interfaces solide-liquide
ont beaucoup été étudiés, les interfaces solide-solide (GB et IB) ont
reçu peu d'attention. Récemment, il a été démontré que l'anisotropie de
ces interfaces solide-solide peut aussi avoir une influence marquée, en
particulier sur la texture et les orientations des motifs sélectionnés.
Dans cette thèse, la relation entre anisotropie solide-solide et sélection
morphologique est étudiée à l'aide de simulations numériques de microstructures
de solidification.
Nous utilisons un modèle multi-champ-de-phase récemment développé. Ce
modèle est basé sur une fonctionnelle grand-canonique qui combine les
énergies libres de volume et de surface. Sa minimisation donne les
équations de mouvement pour les champs de phase et de concentration.
Ce code est utilisé pour examiner trois problèmes qui viennent de
la solidification directionnelle d'alliages eutectiques et dilués,
avec une attention particulière aux effets de l'anisotropie
des interfaces solide-solide.
Durant la solidification d'alliages eutectiques en échantillons minces,
il a été observé qu'en réponse à l'anisotropie des IB, les lamelles
eutectiques croissent dans une direction qui fait un angle bien défini
avec la direction de croissance principale. Nous caractérisons cet
angle dans nos simulations numériques, et trouvons un bon accord avec
une théorie récente de la croissance anisotrope. Ensuite, nous examinons
le lien entre l'anisotropie des IB et l'émergence d'orientations préférentielles
dans des systèmes étendus. Finalement, nous répétons notre étude d'échantillons
minces pour des polycristaux, dans lesquels des GB de faible désorientation
croissent également avec un angle défini par rapport à la direction principale
de croissance. Nous déterminons cet angles de croissance et trouvons à nouveau
un bon accord avec des prédictions théoriques. De cette manière, nous confirmons
l'influence de l'anisotropie solide-solide sur les microstructures de
solidification directionnelle.
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