DSI (Directional Solidification Insert)
Objectif
Il est muni d’un système optique qui permet l’observation directe et interférométrique des phénomènes interfaciaux tels que la formation des microstructures de type cellule ou dendrite et d’en étudier la dynamique.
L’intérêt de cette expérience est de pouvoir être embarquée à bord de l’ISS et de bénéficier ainsi d’excellentes conditions de microgravité. Ces conditions suppriment la convection naturelle qui brasse le liquide lorsqu’on fait les mêmes expériences au sol, source d’hétérogénéité de microstructures.
L’expérience DSI implique actuellement une équipe scientifique française et une équipe américaine:
L’équipe du professeur Bernard Billia,
Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence,
UMR 6242 CNRS, Universités Paul Cézanne, Provence et Sud Toulon-var
Site internet : http://www.im2np.fr/
R. Trivedi
Ames Laboratory US-DOE & Iowa State University, Ames,United States
DSI en détail.. (pdf - 243.07 Ko)Interface
A bord de l’ISS DSI est inséré dans le dispositif DECLIC, lui-même installé dans un rack du JEM (Japanese Experiment Module). Le déroulement de l’expérience est supervisé par la NASA depuis le POIC ( Payload Operations and Integration Center) au Marshall Space Flight Centre à Huntsville en Alabama, mais sa mise en œuvre est réalisée au CST par commande/contrôle depuis le CADMOS qui a la responsabilité de son exploitation.
L’équipe scientifique a la possibilité de suivre depuis leur laboratoire et en temps réel l’avancement des opérations via une page web affichant les paramètres et les images de l’interface solide/liquide.
Concept Opérationnel
Le cœur de l’insert DSI est une cartouche cylindrique en quartz d’environ 80mm de long pour un diamètre de 10mm, contenant le matériau à étudier, le succinonitrile, que l’on place dans un four multizones dont les températures basses et hautes sont en général règlées respectivement autour de 20°C et 85°C . La température de fusion de l’alliage à la concentration choisie étant d’environ 65°C l’interface solide/liquide se positionne entre ces deux zones. Le protocole expérimental consiste alors à déplacer la cartouche sur son axe longitudinal à une vitesse contrôlée et d’en observer l’effet sur l’interface (solidification de type « Bridgman »). L'utilisation du succinonitrile permet de réaliser un nombre important de cycles de solidification/fusion.
Phase 1: la cartouche est déplacée d'une certaine distance de la zone froide vers la zone chaude du four. Au contact de la chaleur, l'alliage devient liquide. Au terme de cette fusion, la cartouche comporte une paritie solide et une partie liquide. La frontière qui sépare ces deux zones se nomme "l'interface".
Phase 2: une fois la fusion terminée, une longue attente est necéssaire pour permettre l'homogéneisation de la la partie liquide de la cartouche (plusieurs heures).
Phase 3: la cartouche est déplacée de la zone chaude vers la zone froide du four à une vitesse déterminée. L'alliage liquide se solidifie progressivement. Les observations scientifiques sont réalisées au niveau de l'interface grâce au caméras de DECLIC.
Phase 4: la solidification est terminée. La cartouche est de nouveau déplacée vers la zone chaude du four pour refondre l'alliage.
Phase 5: nouvelle homogeneisation
Phase 6: nouvelle solidification avec une vitesse de tirage différente (plus lente dans cet exemple)
Etc...
Matériel utilisé
L’expérience DSI utilise DECLIC, le Dispositif pour l’Etude de la Croissance et des Liquides Critiques. La cartouche à l’intérieur de l’insert ne peut pas être changée à bord de l’ISS, il est donc nécessaire de redescendre intégralement l’insert pour changer le matériau étudier.
Statut de l’expérience et des données
L’expérience s’est déroulée entre décembre 2009 et février 2011. Son retour sur terre est en cours de préparation. Il devrait se faire via le vol de la navette Endeavour du mois de mai 2011.
La cartouche de l'insert doit être remplacée par une cartouche de concentration différente et l'insert sera ensuite remonté en orbite pour des opérations programmées début 2013.
Les données sont archivées sur le SIPAD.
Vidéo d'une solidification dirigée
Publications
Articles publiés :
N. Bergeon, A. Ramirez, L. Chen, B. Billia, J. Gu, R. Trivedi "Dynamics of interface pattern formation in 3D alloy solidification: first results from experiments in the DECLIC directional solidification insert on the International Space Station" J Mater Sci 46 (2011) 6191–6202
A Ramirez, L Chen, N Bergeon, B Billia, Jiho Gu and R Trivedi "In situ and real time characterization of interface microstructure in 3D alloy solidification: benchmark microgravity experiments in the DECLIC-Directional Solidification Insert on ISS" IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 27 (2011) 012087
Articles en préparation (+ journal prévu) :
L. Chen, N. Bergeon, A. Ramirez, B. Billia, D. Tourret, A. Karma, J. Gu, R. Trivedi, R. Guérin, J.M. Debierre "Oscillatory instability observation and characterization in 3D extended patterns of directionally grown cells" Phys. Rev. Letters, suivi d'un Phys. Rev. E détaillé
L. Chen, N. Bergeon, B. Billia, A. Ramirez, J. Gu, R. Trivedi, "Formation of cellular/dendritic array in three-dimensional solidification under diffusion transport: Benchmark data obtained in the DECLIC-Directional Solidification Insert in the reduced-gravity environment of space" Phys. Rev. E
Présentation dans des conférences
Invited talk : N. Bergeon, A. Ramirez, L. Chen, B. Billia, J. Gu, R. Trivedi, "Dynamics of interface pattern formation in three-dimensions: First results from experiments in the DECLIC-Directional Solidification Insert on the International Space Station", MS&T 2010, 17-21 Oct. 2010, Houston, USA
N. Bergeon, A. Ramirez, L. Chen, B. Billia, J. Gu, R. Trivedi, "In situ and real time characterization of 3D interface microstructure in alloy solidification: benchmark microgravity experiments in the DECLIC-Directional Solidification Insert on ISS" 3rd Int. Conf. on Advances in Solidification Processes (ICASP3), 7-10 Juin 2011, Aachen, Germany.
Invited talk : B. Billia, H. Nguyen-Thi, N. Bergeon, N. Mangelinck-Noël, G. Reinhart, J-M. Debierre, A. Bogno, L. Chen, A. Ramirez, A. Buffet, J. Baruchel, T. Schenk, R. Trivedi, J. Gu, A. Karma, D. Tourret "Insights on Dynamical Phenomena in Microstructure Formation during Alloy Solidification gained from In situ Observation on Metallic and Transparent Systems" International Workshop on Dynamics, Properties, and Solidification of Liquid Alloys – DyPSLA, Cologne Center of German Space Agency (DLR), Germany, July 2011.
Plenary talk : N. Bergeon, A. Ramirez, L. Chen, B. Billia, J. Gu, R. Trivedi, " First analyses of experiments in the DECLIC Directional Solidification Insert on the International Space Station " 4th Int. Conf. on Physical Sc. in Space (ISPS4), 11-15 juillet 2011, Bonn, Germany.
L. Chen, A. Ramirez, N. Bergeon, B. Billia, J. Gu, R. Trivedi, "In situ and real time characterization of 3D interface microstructure in alloy solidification: microgravity experiments in the DECLIC-Directional Solidification Insert on ISS" EUROMAT 2011, 12-15 Sept. 2011, Montpellier, France
Invited talk : R. Trivedi, J. Gu, A. Karma, D. Tourret, L. Chen, N. Bergeon, A. Ramirez, B. Billia, J.-M. Debierre, R. Guérin "Dynamical evolution of three-dimensional interface patterns in directional solidification of alloys: I. Experimental results from International Space Station" 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, Nashville, TN, USA, January 2012.
Invited talk : R. Trivedi, J. Gu, A. Karma, D. Tourret, L. Chen, N. Bergeon, A. Ramirez, B. Billia, J.-M. Debierre, R. Guérin "Dynamical evolution of three-dimensional interface patterns in directional solidification of alloys: II. Phase-Field modeling" 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, Nashville, TN, USA, January 2012.
D. Tourret, A. Karma, R. Trivedi, B. Billia, N. Bergeon, J.-M. Debierre, R. Guérin. "Three-Dimensional Phase Field Modeling of Directional Solidification under Microgravity Conditions with Quantitative Experimental Comparison" TMS 2012 Annual Meeting & Exhibition, Symposium Materials Research in Microgravity, March 2012, Orlando, FL, USA.
Invited talk : N. Bergeon, A. Ramirez, L. Chen, B. Billia, A. Karma, J. Gu, M. Xu, Rohit Trivedi. "Three-Dimensional Interface Pattern Evolution in Directional Solidification under Microgravity Conditions" TMS 2012 Annual Meeting & Exhibition, Symposium Materials Research in Microgravity, March 2012, Orlando, FL, USA.
N. Bergeon, B. Billia, L. Chen, A. Ramirez, R. Trivedi, J. Gu, A. Karma, D. Tourret, J.-M. Debierre, R. Guérin "Three-dimensional cellular and dendritic patterns under diffusion transport: In situ characterization of growth dynamics in DECLIC - Directional Solidification Insert onboard ISS" 63rd International Astronautical Congress (IAC), Naples, Italy, October 2012.
Récompenses :
En juin 2014, Rohit Trivedi a reçu un "Top Achievements in Space Station Research" de la part de la NASA et d'autres organisations, dans la catégorie "Top Discoveries in Microgravity".
