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(titres de publication, de périodique et noms de colloque inclus)
2013-03-25 - Colloque/Présentation - communication orale - Français - 19 page(s)

Vanherck Thierry , Jean Guillaume , Gonon Maurice , Lobry Jacques , Cambier Francis, "Frittage SPS : L'existence d'un gradient de température au sein du compact est-elle une fatalité liée à la technique SPS ?" in Journées Annuelles du Groupe Français de la Céramique (GFC13), Orléans, France, 2013

  • Codes CREF : Matériaux céramiques et poudres (DI2744)
  • Unités de recherche UMONS : Génie électrique (F101), Science des Matériaux (F502)
  • Instituts UMONS : Institut de Recherche en Science et Ingénierie des Matériaux (Matériaux)
  • Centres UMONS : Ingénierie des matériaux (CRIM)
Texte intégral :

Abstract(s) :

(Français) Le procédé de frittage Spark Plasma Sintering (SPS) s'est fortement développé depuis une dizaine d'années, et ce grâce aux avantages qui lui sont reconnus. Parmi ceux-ci, citons, entre autres, une durée de cycle réduite, l'obtention de densités relatives élevées, une croissance granulaire maîtrisée, et même la possibilité de consolider et densifier des matériaux réputés difficilement frittables par des méthodes plus conventionnelles. Néanmoins, un défaut souvent reproché à cette technique est qu'elle produit des microstructures hétérogènes, phénomène qui proviendrait de l'hétérogénéité du champ de température au sein du compact pendant le plateau de température. Jusqu'à maintenant, l'utilisation de la méthode des éléments finis appliquée au procédé SPS servait, soit à expliquer a posteriori l'hétérogénéité de la microstructure observée expérimentalement sur des échantillons frittés par ce procédé, soit à prédire a priori le champ de température en fonction des conditions de frittage (matériau, géométrie, …). Nous pensons que la modélisation numérique par la méthode des éléments finis peut aller plus loin dans l'aide apportée lors de l'utilisation du SPS. En effet, elle peut servir à optimiser les conditions de frittage afin d'obtenir un champ de température plus homogène dans le compact. Dans ce but, il est très important de bien comprendre la distribution des flux de chaleur dans les outils de mise en forme et dans le compact, ainsi que les paramètres qui les influencent. Nous ne rentrerons pas dans les détails de la construction du modèle numérique, mais nous utiliserons celui-ci afin de comprendre physiquement les paramètres qui influencent les transferts thermiques dans le SPS. Pour ce faire, nous baserons notre étude sur un matériau non conducteur de l'électricité, la même démarche pouvant être développée pour un matériau conducteur de l'électricité, bien que, dans ce cas, la difficulté semble plus importante lorsque la conductivité électrique change au cours du frittage. Ce modèle éléments finis thermoélectrique couplé nous permet de comprendre qu'il existe, pour un compact non conducteur, en fonction de la géométrie des outils, une ou deux zones principales de production de chaleur dans les outils de mise en forme en graphite. La source de chaleur dont l'existence est inconditionnelle est la zone des poinçons non recouverte par la matrice. En effet cette zone présente une section de passage rétrécie pour les lignes de courant. Or la puissance Joule dépendant de manière quadratique de la densité de courant, la zone nue des poinçons développe une puissance Joule très intense. La seconde source importante de chaleur, si elle existe, se situe dans la matrice, à hauteur du compact. En effet, si la matrice est relativement fine vis-à-vis du diamètre du poinçon, une production de chaleur non négligeable s'y développe. A l'opposé, si la matrice est relativement épaisse, peu de chaleur y est produite. En fonction de l'existence ou non de la seconde source de chaleur, les flux de chaleur et le champ de température diffèrent complètement. L'homogénéisation du champ de température dans le compact consiste alors à trouver un équilibre entre production locale de chaleur dans la matrice et dissipation locale par rayonnement en surface de la matrice. En effet, si la production de chaleur dans la matrice est excédante par rapport à la dissipation à sa surface, l'excédent devra être dissipé par conduction thermique vers les électrodes refroidies par eau. Si la chaleur dissipée par rayonnement en surface de la matrice est plus élevée que celle produite localement dans la matrice, la différence devra être fournie par la source de chaleur située dans le poinçon. Que la chaleur transite dans un sens ou dans un autre entre poinçons et matrice, ces flux produiront un gradient de température dans la matrice, dans la partie enfuie du poinçon mais également, et c'est ce qui nous importe le plus, dans le compact, le sens du transit déterminant le sens du gradient de température. Nous proposons que la recherche de l'équilibre entre production de chaleur dans la matrice et dissipation par rayonnement à sa surface soit réalisée en modifiant l'épaisseur de la matrice dont l'influence principale est la variation de la production de chaleur locale dans la matrice. Dans la recherche de cet équilibre, nous remettrons également en cause l'utilisation systématique et irréfléchie d'un feutre isolant autour de la matrice. En conclusion, au-delà de permettre de relier l'observation d'une hétérogénéité de la microstructure avec celle du champ de température, la méthode des éléments finis peut être utilisée pour optimiser la géométrie dans le but de minimiser les gradients de température dans le compact. Pour une géométrie de compact, une température de plateau et un matériau donnés, en agissant seulement sur l'épaisseur de la matrice et sur la présence/absence de feutre isolant, un gradient de température minimal peut être obtenu par la recherche systématique d'un optimum dans l'équilibre des échanges de chaleur entre les outils.


Mots-clés :
  • (Anglais) temperature field
  • (Anglais) SPS
  • (Français) optimisation
  • (Anglais) optimization
  • (Anglais) sintering
  • (Français) méthode des éléments finis
  • (Anglais) Finite Elements Method
  • (Français) frittage