Modélisation par éléments discrets du frittage à l'état solide : prise en compte du grossissement des grains et de particules non sphériques

Towards a more realistic discrete element model of solid-state sintering : grain growth and non-spherical particles

• Auteur / Autrice : Brayan Marcelo Paredes Goyes
• Direction : Christophe Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil,
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Helen Reveron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Duriez, Bruno Chareyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bernacki, Guillaume Bernard-Granger, Rajendra Bordia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments discrets

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Frittage

Méthode des éléments discrets

Grossissement des grains

Nanopoudres

Level-Sets

Particules non sphériques

Sintering

Discrete element method

Grain growth

Nano-Powders

Level-Sets

Non-Spherical particles

Résumé

Le frittage à l'état solide est un procédé de mise en œuvre des poudres largement utilisée pour les céramiques et les métaux. Le traitement s'effectue à des températures élevées, inférieures au point de fusion. Consolidation, densification et croissance des grains se produisent au cours du frittage. La méthode des éléments discrets (DEM) a été appliquée efficacement pour modéliser la densification et la consolidation à l'échelle mésoscopique pour des particules sphériques. Néanmoins, la croissance des grains affecte le frittage pendant les étapes intermédiaires et finales. Elle n'est pas prise en compte par les simulations DEM actuelles. Dans ce travail, un modèle réaliste de croissance des grains est développé. Les mécanismes considérés sont la diffusion de surface et la migration des joints de grain. Le modèle de densification standard, basé sur la diffusion aux joints de grain et la diffusion de surface, est raffiné pour prendre en compte les grands rapports de taille des particules. Les deux modèles sont couplés pour étudier l'évolution microstructurale pendant le frittage jusqu'à des densités relatives proches de 0,90. La cinétique de densification et de croissance des grains, les trajectoires de frittage et l'évolution de la distribution de taille des particules sont analysées pour un empilement initial avec une distribution de taille réaliste. Les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales de la littérature sur la croissance des grains pour le frittage conventionnel de l'alumine. La croissance des grains est particulièrement problématique et difficile à éviter pour les nanopoudres. Une approche possible pour limiter la croissance des grains est le frittage en deux étapes, qui utilise une combinaison de températures élevées et basses pendant le cycle thermique de frittage. Les simulations DEM sont utilisées pour explorer les mécanismes qui peuvent expliquer le succès du frittage en deux étapes. Un autre moyen d'améliorer le réalisme des modèles de frittage DEM est de considérer les formes réelles des particules plutôt que des sphères. Ceci est particulièrement pertinent pour le frittage puisque la force motrice est la courbure locale. La forme réelle des particules peut être capturée à l'aide de la méthode des éléments discrets Level-Sets (LS-DEM). Un algorithme de détection des contacts basé sur l'optimisation est proposé pour réduire le temps de calcul. La mise en œuvre proposée de la LS-DEM est une preuve de concept de son efficacité potentielle pour le frittage. À titre d'illustration, des simulations d'empilement de particules ellipsoïdales avec des interactions élastiques et de frittage sont présentées. Les simulations de frittage permettent d'analyser l'influence du rapport d'aspect des particules sur le retrait.

Solid state sintering is a widely used powder processing technique for ceramics and metals. The treatment is carried out at high temperatures, below the melting point. Consolidation, densification, and grain growth occur during sintering. The discrete element method (DEM) has been effectively applied for modeling densification and consolidation at the mesoscale for spherical particles. Nevertheless, grain growth affects sintering during the intermediate and final stages. It is not considered by actual DEM simulations. Here, a realistic grain growth model is developed. The mechanisms considered are surface diffusion and grain boundary migration. The standard densification model, based on grain boundary diffusion and surface diffusion, is refined to take into account large particle size ratios. Both models are coupled for studying the microstructural evolution during sintering until the relative density approaches 0.90. The densification and grain growth kinetics, the sintering trajectories, and the evolution of the particle size distribution are analyzed for an initial packing with realistic size distribution. The results are in good agreement with grain growth experimental data from the literature for conventional sintering of alumina. Grain growth is particularly problematic and difficult to avoid for nano-powders. A possible approach to mitigate grain growth is two-step sintering, which uses a combination of high and low temperatures during the sintering thermal cycle. DEM simulations are employed to explore the mechanisms that can explain the success of two-step sintering. Another means to improve the realism of DEM sintering models is to consider actual particle shapes instead of spheres. This is particularly relevant for sintering since the driving force is the local curvature. The real shape of particles can be captured using the level set discrete element method (LS-DEM). An optimization-based contact detection algorithm is proposed to reduce computational cost. The proposed LS-DEM implementation is a proof of concept of its potential effectiveness for sintering. For illustration, simulations of ellipsoidal particle packings with elastic and sintering interactions are shown. Sintering simulations allow to analyze the influence of the particle aspect ratio on shrinkage.