Maîtrise du frittage de matériaux céramique-métal à gradients de composition et de structure

• Auteur / Autrice : Grégory Largiller
• Direction : Didier Bouvard, Claude Carry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Michèle Pijolat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armand Gabriel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Besson, Jean-Marc Heintz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Microstructure (physique)

Thermodynamique

Diffusion (physique)

Cermets

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Frittage

Cermet

Metcer

Multimatériau

Thermodynamique

Diffusion

Microstructure

Lois de comportement

Simulation numérique

Microscopie

Dilatométrie conventionelle et optique

Changement d'échelle

Sintering

Cermet

Metcer

Multimaterial

Thermodynamic

Diffusion

Microstructure

Constitutive equation

Numerical simulation

Microscopy

Conventional and optical dilatometry

Scale change

Résumé

Les matériaux à gradient de composition et de structure permettent d'associer des propriétés complémentaires dans une pièce donnée. Les cermets (matériaux composite céramique métal) développés par Rio Tinto Alcan seront potentiellement utilisés en tant qu'anodes inertes pour l'électrolyse de l'aluminium. Pour connecter cette pièce à matrice céramique au réseau électrique, ce matériau doit être associé avec un matériau conducteur électrique en une seule opération de frittage. En associant les connaissances issues de la métallurgie des poudres avec une analyse microstructurale, des calculs thermodynamiques et des considérations mécaniques, une gamme de matériaux appelés metcer (composite métal céramique) a été développée. Selon la proportion et composition de la phase métallique initiale de ces metcers, ils peuvent être cofrittés en une seule opération avec un cermet. Nous avons montré que la proportion de phase métallique influençait fortement la tenue mécanique de l'ensemble pendant le frittage ; que la composition des phases oxydes et métalliques permettait de maîtriser les phénomènes de diffusion entre les parties cofrittées pour construire une interface graduelle. Des lois phénoménologiques basées sur la mécanique des milieux continus ont été développées pour modéliser le frittage d'un cermet et d'un metcer. Ces lois ont été introduites dans un logiciel de calcul par éléments finis pour simuler le frittage d'assemblages bicouches et identifier les éventuels points de fragilité de différentes géométries. En comparant ces résultats de simulation numérique à des observations optiques in situ sur des pièces centimétriques, nous avons montré que l'amorçage de fissures proche de l'interface a lieu lorsque les contraintes sont élevées. A basse température, de faibles écarts de déformations entre les couches suffisent à amorcer des fissures lorsque les viscosités des matériaux sont grandes et qu'ils ont un comportement fragile. A haute température, lorsque les écarts de déformation sont grands et les viscosités faibles, les contraintes entre les couches sont relaxées. En utilisant les connaissances acquises à la fois sur la chimie et la mécanique du système, une pièce centimétrique tricouche à gradient exempt de fissure a été réalisée.

Graded materials are used to gather complementary physical and/or chemical properties into a single part. Cermet material (ceramic metal composite) developed by Rio Tinto Alcan may be used as inert anode for aluminium electrolysis. To connect these ceramic matrix materials to the current network, we propose to associate them with a conductive material in a single sintering step. Using our knowledge on powder metallurgy with microstructure analysis, thermodynamical and mechanical calculations, a new range of material called metcer (metal ceramic composite) has been developed. According to their metal phase proportion and composition, the metcer materials can be cosintered with cermets in a single sintering step. By modifying the metal phase proportion, we enabled the parts to keep joined during the whole sintering thermal cycle. The composition of oxides and metal phases change the diffusion phenomena and enable one to build a graded interface between the layers. Based on continuum mechanics, constitutive equations have been used to simulate the sintering of a cermet and a metcer. Constitutive equations have been implemented into a finite element software to identify the weak regions of bilayers parts of complex geometry. We compared numerical simulation results with optical observations made during sintering on large scale bilayers. Cracks near the interface occur at low temperature when the strain mismatch between the layers is low and the viscosities of the layers are high. Thus, the materials have a fragile behaviour. At high temperature, when the viscosities are low and the strain mismatch is high, the stresses in the vicinity of the interface are released. Combining our knowledge on the chemistry and interactions between these materials, we developed a trilayer material. This material showed up a graded interface without any crack.