Microstructural Pattern Formation during Far-from-Equilibrium Alloy Solidification

We introduce a new phase-field formulation of rapid alloy solidification that quantitatively incorporates non-equilibrium effects at the solid-liquid interface over a very wide range of interface velocities. Simulations identify a new dynamical instability of dendrite tip growth driven by solute trapping at velocities approaching the absolute stability limit. They also reproduce the formation of the widely observed banded microstructures, revealing how this instability triggers transitions between dendritic and microsegregation-free solidification. Predicted band spacings agree quantitatively with observations in rapidly solidified Al-Cu thin films

3D Phase-Field Simulations Explain Experimental Observations of Structure Formation in Ice-Templated Materials

Freeze casting is a promising processing technique that provides a means to mimic natural materials with hierarchical designs over several length-scales with biomedical applications. Directional solidification of ceramic-based suspensions in water. 3D quantitative phase-field simulation with massive parallel computing at the experimentally relevant time and length scales. Objective and Approach: Qualitative comparisons between phase-field simulations and freeze casting experiments to understand top hierarchical levels in the freeze-cast material

Mechanisms of Structure Formation in Ice-Templated Materials Experimental Observations

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Comparison of Three-Dimensional in Situ Observations and Phase-Field Simulations of Microstructure Formation During Directional Solidification of Transparent Alloys Aboard the ISS

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Evolution de l'espacement primaire pendant la solidification dirigée d'alliages transparents dans DECLIC-DSI: résultats expérimentaux et simulations champ-de-phase

International audiencePendant la solidification d'alliages se développe au niveau de l'interface solide-liquide une microstructure dont les caractéristiques influencent fortement les propriétés macroscopiques du matériau. Sa formation est un processus dynamique dans lequel le réseau se développe, s'organise et s'ordonne progressivement. Une étude détaillée des mécanismes physiques qui contrôlent la formation de cette microstructure est fondamentale pour maîtriser la qualité du matériau. Sur terre, la convection dans la phase liquide affecte fortement la microstructure de solidification en créant par exemple des hétérogénéités dans les paramètres de contrôle le long de l'interface. Dans le cadre du projet scientifique MISOL3D (MIcrostructures de SOLidification 3D) sélectionné par le CNES, nous avons participé au développement de l'Instrument DECLIC et de son insert DSI (Directional Solidification Insert) dédié à l'étude in situ de la formation des microstructures colonnaires cellulaires et dendritiques 3D sur des analogues transparents et installé à bord de la Station Spatiale Internationale. En microgravité, le dispositif sert à établir une base de données de référence sur la dynamique des phénomènes dans la limite du transport diffusif et à étudier les mécanismes physiques qui gouvernent la dynamique de formation et de sélection de la microstructure interfaciale. Ces travaux bénéficient d'une collaboration scientifique avec les équipes américaines du Pr. Trivedi (expériences en échantillons minces) et du Pr. Karma (simulations champ-de-phase), sélectionnées par la NASA. Deux campagnes spatiales ont eu lieu sur des échantillons de compositions différentes en 2010-2011 (DSI) et 2017-2018 (DSI-R) qui ont permis d'explorer largement la carte des microstructures en fonction des paramètres de contrôle. Dans ce résumé, nous présenterons des résultats sur l'évolution de l'espacement primaire mettant en évidence l'importance de cette collaboration entre expérience et simulation numérique

The Ninth Visual Object Tracking VOT2021 Challenge Results

acceptedVersionPeer reviewe

Growth Competition between Columnar Dendritic Grains – The Role of Microstructural Length Scales

International audienc

Growth competition between columnar dendritic grains - The role of microstructural length scales

International audienceThe growth competition between columnar dendritic grains is investigated by both phase-field (PF) and cellular automaton (CA) models in a growth regime where the primary dendrite spacing is much larger than the solutal diffusion length. This growth regime favors the formation of highly branched hierarchical dendritic microstructures prevalent in castings. Previous PF and CA studies have shed light on the complex relationship between GB orientation selection and GB bi-crystallography. They showed that, in the CA model, the orientation is governed by the favorably oriented grain (FOG) criterion and the geometrical limit (GL) in the limit of large and small cell size, respectively. The present study focuses on exploring how to quantitatively bridge length scales between PF simulations that resolve the whole solid-liquid interface dynamics and the CA model that resolves the dynamics of the grain envelope under a certain set of assumptions. For this purpose, we study grain boundary (GB) orientation selection as a function of the imposed temperature gradient G under the frozen-temperature approximation, which allows us to vary Gdependent microstructural length scales with a fixed GB bi-crystallography. PF simulations reveal the existence of a transition from FOG to GL dominance with decreasing G at non-degenerate bi-crystallography. Simulations further reveal that this transition can be quantitatively reproduced by the CA model with a choice of the cell size that corresponds, in PF simulations, to the active secondary dendrite arm spacing of the favorably oriented grain preceding the tertiary branching event that gives birth to a new stable primary dendrite. PF simulations are also used to obtain a detailed quantitative characterization of the dynamics of the grain envelope and its internal length scales, thereby providing a quantitative test of the inherent approximations of the existing CA approach and paving the way for its future development