Structures de fusion composites

La fusion – la transformation d’un solide en liquide par chauffage – est l’inverse de la solidification. Pourtant, malgré une symétrie apparente, la fusion et la solidification donnent lieu à des phénomènes de formation de structures qualitativement différents. Ces dernières années, la fusion des alliages multiphasés, un sujet largement inexploré, a suscité un regain d’intérêt, notamment grâce au développement rapide des techniques de fabrication additive, qui impliquent des cycles répétés de fusion et de solidification partielles. Dans ce contexte, l’équipe PHYSURF de l’INSP, en collaboration avec un groupe de chercheurs en Allemagne (Access e.V., Aix-la-Chapelle), a récemment mené une étude combinant des expériences de solidification in situ et des simulations numériques, portant sur un alliage eutectique composite. Les chercheurs ont caractérisé le comportement d’échelle des structures de fusion eutectique et mis en évidence plusieurs transformations morphologiques, dont une instabilité inattendue de doublement de période.

Figure : Structures de fusion eutectique. La phase eutectique primaire b dépasse dans le liquide sous la forme de longs doigts fins, tandis que la phase secondaire a fond (approximativement) à la température eutectique. a) Épaississement des doigts b. b) Doublement de période. Dans les deux cas, la vitesse de fusion V_m était de 1 µm/s, mais l’espacement lamellaire initial diffère très sensiblement. Images en niveaux de gris : expériences (alliage binaire : CBr₄-C₂Cl₆). Images en couleur : simulations numériques (champ de phase) utilisant les paramètres physiques du même alliage.

La solidification des alliages eutectiques est étudiée depuis plusieurs décennies. Elle produit des matériaux présentant des microstructures composites remarquables, qui sont une trace figée en volume d’une dynamique d’auto-organisation de structures de croissance couplée multiphasée à l’interface solide-liquide en cours de propagation. En revanche, ces microstructures constituent la condition initiale pour la fusion et, bien sûr, ne laissent aucune trace dans le liquide. Par conséquent, les mécanismes régissant la fusion eutectique restent largement obscurs, à moins de les observer in situ. En collaboration avec un groupe de théoriciens d’Aix-la-Chapelle, responsables des simulations numériques, l’équipe de l’INSP a réalisé des expériences de fusion directionnelle où la transformation de phase se déroule à une vitesse imposée, le long d’un gradient de température axial. L’utilisation d’un alliage eutectique binaire transparent modèle en échantillons mince (films de 12 µm d’épaisseur confinés entre deux parois de verre planes) a permis des observations optiques en temps réel de la solidification et de la fusion.

La présente étude porte sur l’évolution des structures de fusion eutectique en fonction de deux paramètres principaux : la vitesse de fusion V_m, entre 0,5 et 100 µm/s, et l’espacement interphase λ. Les microstructures pré-solidifiées étaient composées de lamelles régulières des deux phases solides eutectiques, avec des espacements (idéalement la période spatiale) dont la valeur (de 5 à 25 µm) est principalement déterminée par la vitesse de solidification. Dans ces conditions, les structures de fusion eutectique consistent en de fins doigts de la phase solide « primaire » faisant saillie dans le liquide, tandis que la phase solide « secondaire » fond à proximité de la température eutectique (équilibre triphasique).

Diverses modifications morphologiques ont été observées, et reproduites par les simulations numériques. Un épaississement progressif des doigts solides à faible vitesse a été identifié et expliqué. De plus, une instabilité de doublement de période a été découverte, qui produit une structure de fusion dont la période réelle est le double (2λ) de celle de l’espacement lamellaire (λ). Fondée sur les lois d’échelle des paramètres caractéristiques, cette analyse démontre clairement qu’à V_m élevée, la morphologie de la structure de fusion eutectique dans son ensemble est principalement régie par le couplage diffusif local à la jonction triple, tandis qu’elle est fortement influencée par le gradient thermique lorsque V_m diminue et passe en dessous d’une valeur critique.

En combinant des expériences in situ et des simulations numériques quantitatives, des phénomènes physiques fondamentaux intervenant lors de la formation de structures de fusion eutectique ont été mis en évidence, notamment une transition morphologique inédite vers des formes à doublement de période. Certaines questions restent en suspens, concernant par exemple la diffusion à l’état solide et la rupture de l’équilibre local aux interfaces. Compte tenu du rôle crucial de la fusion en fabrication additive, ces travaux constituent une base pour des recherches ultérieures sur (i) les mécanismes à l’origine de la fragmentation et de la sphéroïdisation des doigts de phase primaire à des vitesses de fusion élevées, et (ii) la sélection des microstructures lors de cycles répétés de fusion et solidification.

Référence

« Pattern formation during melting of lamellar eutectics »

Nellissery Rajan, R. Kumari Rajendran, G. Boussinot, K. Sbargoud, S. Bottin-Rousseau, S. Akamatsu

Physical Review Letters, 136 (2026) 256301

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