Thèse Etude de Leffet d'Un Champ Dc Surimposé sur la Microstructure Lors de la Solidification d'Alliages en Lévitation Électromagnétique H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
Direction de la thèse : Olga BUDENKOVA ORCID 0000000288502683
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-29T23:59:59

La lévitation - électromagnétique (EM), acoustique, aérodynamique, etc - est un environnement permettant de manipuler un échantillon, solide ou liquide, sans contact. Au sein d'une atmosphère inerte contrôlée, cet environnement permet d'éviter la contamination des échantillons. En particulier, la lévitation EM est utilisée pour la synthèse des matériaux, pour les mesures des propriétés thermochimiques ou dans les études de transitions de phases qui sont réalisées en microgravité ou dans les conditions terrestres. Or, dans les conditions terrestres, la force de Lorentz, qui permet la lévitation, crée aussi un écoulement assez intense au sein de l'échantillon liquide. D'un côté, ce brassage électromagnétique peut être favorable car il intensifie le transport des espèces chimiques et/ou de la chaleur dans l'échantillon et peut quasiment homogénéiser la distribution de ces derniers. De l'autre, les conditions diffusives, qui sont souvent souhaitées pour réaliser certaines études ou faire preuve d'une théorie, ne sont pas atteintes à cause du brassage EM. Cependant, un moyen assez connu pour freiner l'écoulement d'un liquide conducteur électrique est l'application d'un champ magnétique continu (champ magnétique DC). Ainsi, l'idée principale du projet est portée sur les études de la solidification des échantillons de métaux liquides en état de lévitation EM et sous un champ magnétique DC. Nous allons effectuer la comparaison de la structure et de la composition des échantillons d'alliages métalliques solidifiés de façon contrôlable sans et avec l'application d'un champ DC afin d'identifier l'effet de l'écoulement de fluide et de comprendre s'il y a un effet de freinage de la part de champ DC. Le dispositif EML, d'ores et déjà disponible, peut être mis sous un champ magnétique continu orienté horizontalement ou verticalement ; des aimants permanents capables de créer ces deux types de champs sont accessibles à l'Institut Néel. Il est possible qu'une force Magneto-Thermoélectrique apparaisse quand le champ DC est utilisé. Cette force peut créer un mouvement du liquide à petit échelle, comme l'espacement dendritique secondaire, et aussi agir directement sur la phase solide en alternant de façon significative la microstructure de l'échantillon solidifié. Par ailleurs, au cours de cette thèse, nous souhaitons étudier l'effet d'un champ continu sur de petites inclusions (affineurs), introduites intentionnellement dans le liquide ou précipitées lors de la solidification.

Dans le cadre des projets ESA-MAP CCEMLCC (Chill Cooling for the Electromagnetic Levitator in relation with Continuous Casting of steel) et NEQUISOL (Non-Equilibrium solidification), les expériences de la solidification sont réalisées sur les échantillons étant en lévitation électromagnétique à bord de la Station Spatiale Internationale, c'est-à-dire, en apesanteur et en absence de creuset [1-2]. Le champ électromagnétique AC est utilisé afin de retenir l'échantillon sur place, tandis que la micropesanteur permet d'utiliser un champ électromagnétique AC de faible intensité et, par conséquent, réduire l'écoulement du liquide à l'intérieur de l'échantillons qui est engendré par le brassage électromagnétique. Ainsi, les conditions de transport proches des conditions diffusives peuvent être atteintes et certaines hypothèses théoriques peuvent être vérifiés. Dans le projet NEQUISOL la dynamique de la croissance cristalline dans la solidification hors équilibre des alliages à base d'aluminium est étudié. Le sujet du projet CCEMLCC est les défauts de surface apparaissant lors du traitement des aciers à l'état liquide. Cependant, l'accès à ces dispositifs à l'ISS demande une longue préparation et est très coûteuse. De plus, l'arrêt de l'ISS, bien qu'il ait déjà été reporté plusieurs fois, est prévu aux alentours de 2030. Cet environnement spécifique sera donc perdu. Or, l'idée d'utiliser un deuxième champ magnétique, un champ continu (DC), afin de freiner l'écoulement dans une goutte métallique en lévitation a été mise en oeuvre par une équipe au Japon en 2004 [3]. Depuis, l'application d'un champ DC dirigé verticalement lors de la lévitation électromagnétique est exploitée pour étudier la cristallisation de différents matériaux [4, 5].
Ainsi, la question scientifique qui se pose est de savoir si le couplage de deux champs magnétiques - un champ magnétique alternatif (AC) pour la lévitation et un champ magnétique continu (DC) qui stabilise l'échantillon et freine l'écoulement - reproduit effectivement les conditions de solidification en lévitation sous microgravité. En effet, sous l'action d'un champ magnétique DC, une force magnéto-thermoélectrique (MTE) peut apparaître, distincte de celle produite par la force de Lorentz associée au champ AC. À l'échelle caractéristique correspondant à un espacement dendritique secondaire, la force MTE peut générer un écoulement ou agir directement sur la phase solide, jouant ainsi un rôle important dans la formation de la microstructure ou la redistribution des inclusions ou précipités [6, 7].
Nos expériences réalisées dans le cadre de la thèse de R. Pons (2020-2023) [8-9], ont montré qu'un champ DC dirigé horizontalement stabilise aussi l'échantillon en lévitation, cependant, l'effet de freinage de l'écoulement est susceptible d'être plus faible par rapport à un champ DC verticale de même intensité. Vu que lors de la solidification un gradient de température apparaisse dans la goutte, l'effet de la force MTE serait aussi sensible à la direction du champ DC appliqué. Le dispositif de la lévitation dont on dispose peut être placé sous un champ magnétique continu orienté horizontalement or verticalement, et des aimants permanents capables de générer ces deux types de champs sont accessibles à l'Institut Néel. Ainsi, le travail proposé dans le cadre de la thèse vise à comparer les effets d'orientation d'un champs magnétiques DC sur la microstructure des échantillons solidifiés en lévitation en utilisant les alliages modèles via caractérisation des échantillons solidifiés. Par ailleurs, au cours de cette thèse, nous souhaitons étudier l'effet d'un champ continu sur de petites inclusions (affineurs), introduites intentionnellement dans le liquide ou précipitées lors de la solidification.

Couplage étroit entre travail expérimental sur la solidification et caractérisation des échantillons afin d'identifier l'effet du l'écoulement de la phase liquide sur la microstructure de la phase solide et/ou distribution des composantes (ségrégation)