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Mécanismes de Frittage Flash dans les matériaux métalliques – MF2

Le Spark Plasma Sintering : une question de métallurgie

Malgré l’engouement suscité au niveau mondial par la technique de frittage flash (communément appelée Spark Plasma Sintering, SPS), les mécanismes physiques à l’origine des performances étonnantes de ce procédé étaient encore très largement méconnus au lancement du projet. Le principe du SPS est de densifier un matériau à partir d’une poudre par l’application simultanée d’un courant pulsé de forte intensité et d’une charge uniaxiale.

Etude des mécanismes activés lors du frittage flash et des effets du courant

L’objectif du projet MF2 était double : étudier les mécanismes physiques activés lors du SPS et comprendre le rôle du courant. Ce projet était restreint aux matériaux métalliques : le cuivre, un métal de structure cubique à faces centrées, et l’alliage intermétallique TiAl qui présente une transition fragile-ductile à haute température. De plus, cet alliage est un marqueur de température performant de par l’activation de transitions de phases. <br />L’objectif ultime était d’aller plus loin dans la compréhension des phénomènes associés à la technologie SPS afin d’en maîtriser les étapes déterminantes et, ainsi, de permettre son utilisation industrielle. Deux études exploratoires de matériaux d’intérêts industriels étaient prévues en fin de projet. <br />

Le projet était essentiellement de nature expérimentale, à l’exception de modélisations par la méthode des éléments finis des champs de température. Il combinait des essais macroscopiques de la densification SPS à des études microstructurales mettant en jeu différentes techniques telles les microscopies électroniques en transmission et à balayage. Des essais interrompus ont été mis en œuvre pour analyser les diverses étapes de la densification.
Les effets résultant de l’application d’un courant ont été étudiés par la comparaison du Spark Plasma Sintering et du Hot Pressing et par le développement d’expériences dédiées visant à isoler et exacerber le rôle du courant.
La richesse du consortium qui réunissait des équipes ayant peu ou pas travaillé ensemble auparavant résultait de plusieurs complémentarités : spécialistes du SPS et des procédés conventionnels, des essais macroscopiques et des analyses microscopiques, du cuivre et de TiAl, du frittage et de la plasticité.

Tous les travaux tant sur le cuivre que sur l’alliage intermétallique TiAl convergent pour montrer que la densification par SPS s’explique par des mécanismes de frittage classiques régis par la température et la distribution des contraintes. La rapidité de densification du SPS est due au chauffage rapide par effet Joule de la poudre et du matériau, et non à l’activation de mécanismes particuliers par le courant électrique.
Plus précisément, la densification se fait par une très forte déformation plastique localisée au niveau des cous entre les particules. Elle est accompagnée de phénomènes de recristallisation et de diffusion en surface.

En perspectives, il serait intéressant de générer des mécanismes spécifiques de frittage dans les premiers instants de la densification, quand les contacts entre particules de poudre sont quasi ponctuels. En effet, quand la surface de ces contacts tend vers zéro, le champ électrique et la densité de courant divergent mathématiquement, et sont donc très fortement intensifiés. Ainsi, des mécanismes électro-induits, encore très mal caractérisés, peuvent-ils être générés localement, au niveau des contacts entre les particules. Pour maintenir des contacts quasi ponctuels, l’idée forte serait d’utiliser le SPS de manière non-conventionnelle, en travaillant sous très faible charge, de manière à ce que la déformation plastique des contacts soit limitée. En effet, de très nombreuses études sur les mécanismes de frittage par SPS existent, mais elles n’ont pas, la plupart du temps, été réalisées dans ces conditions. Un modèle (Chaim, 2013) de la bibliographie précise les conditions d’intensification du champ électrique dans le cas des céramiques, mais il n’a été testé que sur quelques cas, majoritairement des oxydes (MgO, Al2O3, YAG) et sur LiF. Concernant les métaux, ce sont bien souvent des preuves indirectes de la formation d’un plasma ou de surchauffes aux contacts (telles que l’observation de zones fondues) qui sont mises en évidence. Il faudrait donc travailler sur l’intensification du champ électrique d’une part, et du courant électrique d’autre part, avec des poudres céramiques (alumine-zircone, WC) et métalliques (W, Ni). L’activation de phénomènes électriques aux premiers instants du frittage pourrait ensuite être utilisée pour élaborer une céramique difficile à fritter, HfB2, et pour favoriser la formation d’une microstructure prometteuse dans l’intermétallique TiAl, matériaux présentant des applications en aérospatial.

Ces travaux sur les mécanismes de densification correspondaient aux lancements de nouvelles activités expérimentales dans chacun de nos laboratoires. Ainsi, les premiers résultats significatifs n’ont été obtenus qu’après environ un an de travail, ce qui f


Malgré l’engouement suscité au niveau mondial par la technique de frittage flash (communément appelée Spark Plasma Sintering, SPS), les mécanismes physiques à l’origine des performances étonnantes de ce procédé sont encore très largement méconnus. Le principe du SPS est d’appliquer simultanément à une poudre un courant pulsé de forte intensité et une pression uniaxiale. Ce procédé permet la densification de poudres et matériaux à des vitesses généralement 10 à 100 fois plus élevées que celles des techniques de frittage traditionnelles. Il permet la synthèse de matériaux massifs innovants et originaux, à microstructures contrôlées, et ce, pour des coûts modérés.

Quels sont les mécanismes physiques activés durant le frittage SPS ?
Pourquoi le SPS est-il si rapide ?
Quel est le rôle intrinsèque du courant sur ces mécanismes ?

Par une démarche de recherche fondamentale, le but de ce projet est donc de comprendre l’effet du courant et d’expliquer pourquoi le SPS est si rapide et si efficace en comparaison des techniques conventionnelles (frittage naturel ou frittage sous charge). L’accent sera mis sur les trois étapes essentielles du frittage : la formation des ponts entre les particules, le grossissement de ces particules et la densification. On s’intéressera aux divers processus mentionnés dans la littérature, formation de plasma ou d’arcs électriques et transport de masse (diffusion, électro-migration) mais aussi aux mécanismes métallurgiques : plasticité, électro-plasticité, recristallisation.
Notre objectif ultime est d’aller plus loin dans la compréhension des phénomènes associés à la technologie SPS afin d’en maîtriser les étapes déterminantes et ainsi de permettre son utilisation industrielle. Ces acquis seront appliqués pour la fabrication de matériaux d’intérêt industriel : les alliages intermétalliques de type TiAl, en particulier dans le but de fabriquer des matériaux pour aubes de turbine, ainsi que du nickel que l’on souhaite densifier dans un état nanostructuré, et ce, pour des échantillons de plus grandes dimensions.
Nous travaillerons sur deux systèmes de structure CFC ou apparentée : CuNi et TiAl. La plupart des travaux seront menés sur les métaux purs Ni et Cu et les alliages (CuNi et TiAl) seront étudiés pour des points particuliers lorsque cela sera nécessaire. Pour des raisons de charge de travail, ce projet est restreint à l’étude des matériaux métalliques et ne prévoit pas d’étude systématique des paramètres « machines ».

Le projet est construit sur :
• La comparaison de matériaux produits par SPS avec ceux fabriqués à partir des techniques conventionnelles dans des conditions de synthèses identiques (température, pression, …),
• La comparaison d’échantillons SPS traversés par le courant avec des échantillons SPS isolés électriquement. De plus, il est envisagé de modifier la nature du courant en modifiant le train de pulses,
• La mise en œuvre d’essais SPS interrompus, prolongés ou réalisés dans des conditions extrêmes en vue de suivre à chaque étape du frittage les évolutions structurales et microstructurales,
• La réalisation d’expériences modèles pour étudier les mécanismes mis en jeu,
• La caractérisation à diverses échelles des phénomènes et des mécanismes,
• Le soutien des études expérimentales par des simulations aux éléments finis.
Le consortium construit pour ce projet possède tous les moyens de synthèses et de caractérisations nécessaires à sa réalisation et affiche une expérience et des compétences dans les domaines scientifiques concernés reconnus tant au niveau national qu’international.

Coordinateur du projet

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (CNRS) - DELEGATION REGIONALE MIDI-PYRENEES (Divers public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (CNRS) - DELEGATION REGIONALE MIDI-PYRENEES
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (CNRS) - DELEGATION REGIONALE CENTRE-EST
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

Aide de l'ANR 649 896 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 48 Mois

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