Modélisation du processus thermo-électro-mécanique de frittage flash

Thermal electrical mechanical modeling of Spark Plasma Sintering

• Auteur / Autrice : Cyprien Wolff
• Direction : Alain Molinari, Hervé Couque, Sébastien Mercier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 29/09/2011
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Saïd Ahzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bernard, Jacques Besson, Frank Montheillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Frittage flash

ABAQUS

Spark plasma sintering

Résumé

Le « Frittage Flash » ou « Spark Plasma Sintering (SPS) » est utilisé pour consolider des poudres en des temps relativement courts (quelques minutes). Ce procédé utilise un haut courant continu pulsé (quelques kA), traversant les parties conductrices du système et générant une montée rapide en température induite principalement par effet Joule. L’application d’un chargement mécanique, via des pistons, et d’une rapide montée en température permet d’obtenir une pièce dense sans grossissement excessif des grains. L’objectif de ce travail a été de proposer une simulation numérique thermo-électro-mécanique du procédé « Frittage Flash » sur ABAQUS, afin de suivre in situ les évolutions de température, de porosité et des contraintes difficilement accessibles expérimentalement. Dans ce travail, un modèle de comportement des corps poreux est proposé. Cette approche est basée sur les modèles micromécaniques de la littérature et modifiés de manière heuristique pour reproduire la densification réelle du matériau pour des porosités comprises entre 0 et 50%. Les simulations thermo-électro-mécanique incluant ce modèle, intègrent la dépendance en porosité et température des paramètres matériaux. Quatre cycles d’élaboration de poudre de nickel ont été réalisés avec différentes histoires de température. Les évolutions de la température et de la porosité calculées ont été confrontées avec des résultats expérimentaux. Des analyses post mortem sur des échantillons densifiés confortent la distribution de la température obtenue par le calcul. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives, notamment, la possibilité d’optimiser le procédé

Nowadays, Spark Plasma Sintering (SPS) is used to consolidate powders in a relative short time (few minutes). This process uses a pulsed high DC electrical current (few kA) which flows through the conductive part of the device and generates large heating rate mainly due to Joule effect. The application of an uniaxial pressure via punches combined with a rapid heating allow the production of near net shape specimen. The thermal electrical mechanical numerical simulation of SPS process is a powerful tool to capture in situ evolutions of temperature, porosity and stresses which are difficult to obtain in experiments. In this work, a new constitutive model is presented for the description of the behavior of porous medium. This model is based on original viscoplastic micromechanical models of the literature and modified in a heuristic manner to better reproduce the real densification of sintered material for porosity in the range [0;0,5]. The model has been implemented in ABAQUS software. A thermal electrical mechanical simulation of SPS is performed where the dependence of material parameters on temperature and porosity is taken into account. Four processing cycles of nickel have been conducted with different temperature histories. Calculated porosity and temperature evolutions are compared to experimental results. Post-mortem analyses of the material (grain size, yield stress) confirm the temperature distribution obtained by numerical simulations in the sample made of nickel. This simulation is seen to be able to capture experimental trends. The work will permit in a near future the optimization of the sintering conditions to reach prescribed properties