Le principe du broyage est utilisé depuis la préhistoire afin de réduire les matériaux en poudre. La mécanosynthèse est basée sur le même fonctionnement sauf qu’elle permet
Chapitre 2 : Procédés expérimentaux
la synthèse chimique par addition d’énergie à température ambiante. On distingue deux
terminologies pour définir un broyage à haute énergie : la mécanosynthèse (mechanical
alloying) quand les poudres initiales ont une composition différente de celles du produit
final, et le broyage mécanique s’il ne s’agit que d’un broyage non réactif pour l’obtention d’un mélange intime des poudres. La mécanosynthèse est en général un processus utilisé
pour l’élaboration de matériaux difficiles voire impossibles à obtenir par des méthodes
classiques telle que la co-fusion de métaux. Cette méthode de synthèse a été dévelop-pée par J. Benjamin dans les années soixante pour la dispersion de très fines particules d’oxydes dans une matrice métallique pour l’amélioration des propriétés mécaniques [91]. Grâce à la mécanosynthèse, il est possible de synthétiser des alliages amorphes, des solu-tions solides sursaturées à partir d’éléments non miscibles à l’équilibre thermodynamique, des composés quasi cristallins ainsi que des alliages métalliques désordonnés.
Il existe différents types de broyeurs qui sont le broyeur planétaire, l’attriteur et le
broyeur à vibrations. Le broyeur utilisé lors de cette étude est basé sur le premier type et est décrit partie 2.4.2.
2.4.1 Préparation des poudres
Pour l’élaboration par mécanosynthèse, les éléments de départ doivent être sous forme de poudre. Cela pose un problème quant à leur sensibilité par rapport à l’oxydation. D’au-tant plus si les éléments utilisés sont des terres-rares, lesquelles sont très réactives à l’air. Dans le cadre de ces travaux, le lanthane a été utilisé. Le réduire directement en poudre augmenterait considérablement la formation d’oxyde en surface provoquant la passivation
du métal. Pour palier à cette difficulté, il a fallu passer par la synthèse d’alliages
précur-seurs.
Nous avons réalisé deux catégories d’alliages précurseurs : un ternaire LaFeSi et un binaire LaSi, à partir de métaux purs La (99,9 %), Si (99,999 %) et Fe (99,9 %). La réalisation du binaire FeLa est impossible car comme en atteste le diagramme de phases Fe–La [92], ces deux éléments ne sont pas miscibles pour les fortes concentrations en Fe au delà de 1733 K. Les synthèses ont été réalisées par voies classiques (four à arc ou four à
induction). Les métaux de départ se présentent sous forme de copeaux. Afin de s’affranchir
de toutes traces d’oxyde résiduelles à la surface du lanthane, il a été préalablement limé en boîte à gants.
Pour la suite de l’étude, l’alliage précurseur LaSi a été retenu car il présente plusieurs avantages. Du point de vue de l’élaboration, il est plus simple à mettre en œuvre et pour la
synthèse du produit final, de type La(Fe,Si)13, l’ajustement des masses des autres éléments
y est plus commode. Du point de vue métallurgique, la possibilité de formation de phases d’impuretés est moins importante. L’alliage LaSi est un composé défini jusqu’à basse température, obtenu par transformation congruente de la phase liquide à 1988 K [93]. Il n’a donc pas été nécessaire de procéder à un traitement thermique d’homogénéisation pour la mise en équilibre thermodynamique de celui-ci. Les composés LaSi obtenus sont plus friables que les composés LaFeSi, certainement à cause des propriétés mécaniques du Fe.
2.4.2 Broyage planétaire
Les broyeurs utilisés sont des broyeurs planétaires Fritsch Pulverisette 5 et Fritsch
Pulverisette 7 (voir figure 2.4). Le terme "planétaire" provient du mouvement de type
Chapitre 2 : Procédés expérimentaux
F. 2.4 –Broyeur planétaire Fritsch Pulverisette 7
planétaire des jarres. En effet, ils se composent d’un plateau tournant sur lequel il y a deux
supports de jarre. Ces supports permettent la rotation des jarres autour de leur propre axe dans le sens contraire du plateau.
Une fois le mélange de poudres introduit dans les jarres, cinq billes de diamètre 1,5 cm, également en acier trempé, y sont disposées. Le rapport entre la masse des billes et celle des poudres est de 14:1. La proportion de chacun des éléments (La, Fe, Si et LaSi) a
été calculée de façon à obtenir un mélange de poudre de≈5 g. Les jarres hermétiquement
fermées sous argon sont fixées sur le plateau. La force centrifuge résultant de la rotation des jarres autour de leur axe et celle produite par la rotation du plateau permet d’agiter plus ou moins violemment le contenu des jarres. Les billes s’entrechoquent entre elles provo-quant le broyage des poudres comme schématisé sur figure 2.5. Il se produit un mélange de chocs et de frottement dont les proportions sont fixées pour le type de broyeur utilisé. Sous les chocs, les grains de poudres sont déformés plastiquement, fracturés et recollés les
uns aux autres entraînant le mélange des différents constituants menant à une structure
na-nocristalline. Lorsque l’énergie libérée par ces chocs est suffisante, il y a mécanosynthèse
des composés. Les aspérités sur la surface des parois peuvent être la cause de piégeages préférentiels de l’un des éléments, entraînant un écart à la stœchiométrie. En fonction de la vitesse des billes, la température locale des jarres pouvant atteindre des valeurs de 573 K,
il est possible de faire régulièrement des pauses (chaque heure) de quelques minutes (≈
20 min) pour éviter leur réchauffement [94].
Les conditions de broyage utilisées lors de cette étude sont telles que le broyage dure
5 heures à une vitesse de 600 tr/min. Cela correspond à des valeurs d’énergie de choc
cinétique, de fréquence de chocs et de puissance de choc injectées respectivement égales
à 0,81 J/hit, 62 Hz et 19,5 Watt/g. Il est précédé d’un prébroyage de 30 minutes à basse
énergie (200 tr/min). Des tests préalables ont montré que ces conditions sont optimales
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pour assurer la reproductibilité de l’expérience.
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F. 2.5 –Schéma de principe du broyage planétaire
Il est à noter que le comportement d’un matériau sous broyage dépend de ses propriétés mécaniques. Ainsi, lorsqu’un matériau est fragile, les grains se fracturent plus facilement et la poudre devient plus fine. Pour les matériaux ductiles, les grains s’aplatissent pour adopter une structure lamellaire et la poudre reste grossière.