CHAPITRE III. ELABORATION D’ECHANTILLONS DENSES ET CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE
III.2. b Choix de la pression
L ajoutàdeàp essio àlo sàdeàlaàde sifi atio àdeàpoud esà talli uesàouà a i ues permet de multiplier les points de contact entre les grains de poudre et ainsi de favoriser le processus de frittage. Il est généralement considéré que plus la pression est élevée, plus la densité finale de la pastille sera proche deàlaàde sit àth o i ue.àCepe da t,àda sà e tai sà as,àl effetàdeàlaàp essio à estàpasà ifi .àE àeffet,à à hautes températures, le transport de matière par diffusion devient prédominant dans le processus de densification, ce qui limite le rôle joué par la pression appliquée (MUNIR,QUACH, AND OHYANAGI
2011).
Dans cette étude, plusieurs essais ont ainsi été menés sur des pastilles de diamètre 20 mm élaborées à pa ti à deà poud eà i dust ielleà afi à deà d te i e à l i pa tà d u eà a iatio à deà p essio à su à laà densification et la microstructure finale des pastilles. Des densifications supplémentaires ont de plus t à alis esàsu àdesàpastillesàdeàdia t eà à àafi àd tudie àl i flue eàdeà eà eàpa a t eà pour de plus grandes dimensions.
III.2.b.i)
Pastilles 20 mm
La pastille d20-1330C-60MPa-5min ayant été densifiée à une pression relativement élevée compte tenu des performances de la matrice en graphite employée et des spécifications machine (la pression a i aleàpossi leà ta tàd e iron 75 MPa), il a été décidé de densifier une pastille à une pression bien plusà fai leà afi à deà d te i e à l i flue eà deà eà pa a t eà su à laà de sifi atio à deà Ti3AlC2. Une
densification de pastille de 20 mm élaborée à partir de poudre industrielle a ainsi été réalisée à une pression de 30 MPa (voir Tableau III-6).
Tableau III-6 : Conditions SPS utilisées et masses volumiques mesurées afin de déterminer la pression optimale de densification Pastille Masse volumique réelle (g/cm3) % pores fermés Remarques
d20-1330C-60MPa-5min 4,56 2,4 % 5 minutes = durée de
stabilisation du piston
d20-1330C-30MPa-7min 4,65 0,4 % 7 minutes = durée de
stabilisation du piston
La température de densification est la même pour les 2 essais. Il est à noter que le temps de maintien a, quant à lui, été adapté pour le cycle de densification réalisé à 30 MPa. Ainsi, le temps de maintien a été ajusté à 7 min afin de parvenir à une stabilisation du piston et donc à une densification optimale. Leàd pla e e tàduàpisto ,àleu à itesseàdeàd pla e e tàai sià ueàlaàte p atu eàe à ou sàd essaiàsont présentés Figure III-10.
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Figure III-10 : Evolution de la température de la pastille, du déplacement du piston et de la vitesse de déplacement du piston au cours du frittage sur la HPD 10 pour des essais réalisés à différentes pressions
La Figure III-10 montre que le profil de densification est relativement similaire pour les deux pastilles, la densification commençant à opérer pour une température supérieure à 900°C. La pastille d20- 1330C-30MPa-7minp se te,à àl issueàdeàlaàde sification, un taux de pores fermés plus faible que la
pastille d20-1330C-60MPa-5min (Tableau III-6).
La Figure III-11 présente les diffractogrammes obtenus sur des échantillo sàa a tà t àp le sà à œu à et en surface des pastilles d20-1330C-60MPa-5min et d20-1330C-30MPa-7min.
Figure III-11 : Diffractogrammes obtenus par DRX sur des échantillons de diamètre 8 mm densifiés à différentes pressions (s : surface – à:à œu
Les diffractogrammes montrent que les pics non identifiés, observés en surface de la majorité des pastilles présentées précédemment Figure III-6, ne se retrouvent ni en su fa e,à ià à œu àdeàlaàpastilleà densifiée sous 30 MPa. Hormis cette légère différence, la DRX ne permet pas de discriminer une
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o ditio à deà p essio à plutôtà ueà l aut e.à Lesà sultatsà issusà deà l affi e e tà ‘iet eldà deà esà diffractogrammes sont présentés Tableau III-7.
Tableau III-7 : ‘ sultatsàissusàdeàl affi e e tà‘iet eldàdesàdiff a tog a esàdeàlaàFigure III-11 et masse volumique des échantillons prélevésàe àsu fa eàetà à œu àdesàpastilles
Ti3AlC2 % massique Al2O3 % massique TiC % massique Masse volumique réelle (g/cm3) % pores fermés d20-1330C-60MPa-5min-s 97,8 2,1 0 4,56 2,4 % d20-1330C-60MPa-5min-c 97,4 2,5 0,1 4,65 0,4 % d20-1330C-30MPa-7min-s 97,7 2,3 0 4,59 1,7 % d20-1330C-30MPa-7min-c 97,3 3,3 0,4 4,65 0,4 %
Les analyses par affinement Rietveldàd o t e tà u u eàfai leà ua tit àdeàTiCàestàp se teàda sàlesà deu à ha tillo sàp le sà à œu .àLaàp se eàd i lusio s d alu i e,àe àp opo tio àplus importante que dans la poudre industrielle initiale (0,8 % massique) est aussi détectée. Les taux de pores fermés o te usà à œu àdesàdeu à ha tillo sàso tàide ti uesàetàsi ilai esà à eluiào te uàpou àlaàpastilleàd20- 1330C-30MPa-7min avant usinage (voir Tableau III-6). En surface, les deux échantillons présentent une
porosité fermée plus élevée u à œu .àái si,àilàest,àu eàfoisàe o e,àpossi leàdeà ett eàe à ide eà d i po ta tsà a tsàdeàpo osit àe t eàdeu à ha tillo sàp le sàauàsei àd u eà eàpastille.
III.2.b.ii)
Pastilles de 60 mm
Des essais similaires à ceux réalisés sur les pastilles de diamètre 20 mm densifiés à partir de poudre industrielle ont été effectués sur des pastilles de diamètre 60 mm afin de déterminer l i pa tàdeàlaà pression sur la densification de pastilles de plus grande dimension. Pour cela, la poudre laboratoire 1,05 Al a été utilisée. Les conditions de densification sont résumées dans le Tableau III-8.
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Figure III-12 : Evolution de la température de la pastille, du déplacement du piston et de la vitesse de déplacement du piston au cours du frittage sur la HPD 125 pour des essais réalisés à partir de la poudre laboratoire 1,05 Al
Le cycle de densification présenté Figure III-12 montre que la stabilisation du piston estàpasàattei teà après 7 min de compaction à 1330°C et 30 MPa. La densification du lot de matière d60-1330C-30MPa- 7min p. laboratoire 1,05 Al semble donc incomplète avec ces conditions de frittage. Pour améliorer la densification de ces pastilles dans les mêmes conditions de pression, deux paramètres peuvent être modifiés : le temps de maintien et la température. En agissant sur cette dernière, il est en effet possible d a l e àleàp o essusàdiffusio elàdeàlaà ati e,à a is eàqui semble prédominant dans ce cas. Le lot de
matière
d60-1360C-30MPa-7min p. laboratoire 1,05 Al a ainsi été densifié à une température plus élevée (1360°C). Le cycle de densification de cet échantillon est représenté Figure III-13.Figure III-13 : Evolution de la température de l'échantillon, du déplacement du piston et de la vitesse de déplacement du piston au cours du frittage (poudre laboratoire 1,05 Al) sur la HPD 125
Avec ces nouvelles conditions, la stabilisatio àduàpisto à estàtoujou sàpasàattei teà aisàlaà itesseàdeà déplacement du piston à la fin du palier en température est plus faible comparativement à celle observée pour la pastille d60-1330C-30MPa-7min p. laboratoire 1,05 Al, ce qui va dans le sens d u eà meilleure densification des pastilles.
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Le Tableau III-8 résume les mesures de porosité fermée réalisées sur les trois pastilles densifiées dont il est question ici. La porosité fermée obtenue après densification sous 30 MPa est bien supérieure à celle obtenue sous une pression plus élevée de 60 MPa. Ces résultats sont en désaccord avec ceux obtenus pour des pastilles de 20 mm. Cetteàdiff e eàpeutà ota e tàp o e i àd u eài ho og it à microstructurale plus marquée sur des pastillesàdeàg a deàdi e sio àouàe o eàd u eà o pa tio à initiale des poudres plus efficace dans le cas des pastilles de 20 mm de diamètre.
En augmentant la température de frittage à 1360°C nous constatons, comme pressenti Figure III-13, une amélioration de la densification des pastilles, qui reste néanmoins limitée.
Des affinements Rietveld des diffractogrammes enregistrés sur les pastilles de diamètre 60 mm ont été réalisés et viennent compléter le Tableau III-8.
Tableau III-8 : Résultats de l'analyse structurale par affinement Rietveld et masse volumique des pastilles de diamètre 60 mm densifiées par SPS à partir de la poudre laboratoire 1,05 Al
Ti3AlC2 % massique Al2O3 % massique TiC % massique Masse volumique réelle (g/cm3) % pores fermés d60-1330C-60MPa-5min p. laboratoire 1,05 Al 98,73 0,3 0,99 4,19 1,4 % d60-1330C-30MPa-7min p. laboratoire 1,05 Al 98,91 0,84 0,24 3,95 7,6 % d60-1360C-30MPa-7min p. laboratoire 1,05 Al 99,2 0,8 - 3,99 6,5 %
Les a al sesà‘iet eldài di ue tàlaàp se eàd ál2O3 dans les 3 pastilles de diamètre 60 mm. La quantité
d alu i eà est légèrement supérieure pour celles densifiées à 30 MPa. Cependant, les affinements Rietveld des diffractogrammes o te usà àpa ti àd ha tillo sàp le sàda sà ha ueàlot d60-1330C- 30MPa-7min et d60-1360C-30MPa-7min p. laboratoire 1,05 Al o tàplusà isàe à ide eàd alu i e,
ces échantillons présentant une pureté p o heàdeà à%à àlaàp isio àdeàl a al seàpa àD‘X près. La Figure III-13 ainsi que les résultats présentés Tableau III-8 atteste tàd u eàde sifi atio ài o pl teà et relativement inhomogène dans le volume des pastilles. L aug e tatio àdeàlaàte p atu eà deà à à °C à aàpasàpe isàdeà o pe se àl effetàdeàlaàdi i utio àdeàp essio à deà à à àMPa àetàai sià d li i e àpa tielle e tàlaàpo osit àfe e. Ce résultat est confirmé par la mesure de porosité fermée effectuée sur des échantillons de 8 mm prélevés en surface du lot d60-1360C-30MPa-7min p. laboratoire 1,05 Al.
III.2.b.iii)
Identification de la pression optimale
L e se leàdesà sultatsàdeàpo osit à esu e sur les pastilles d20 et d60 et sur les échantillons de 8 mm de diamètre prélevés au sein des pastilles sont représentés en Figure III-14 en fonction de la pression. La température est fixée à 1330°C. Le temps de maintien est fixé à 5 min pour les pastilles
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densifiées à 60 MPa et à 7 min pour les pastilles densifiées à 30 MPa (densification identifiée comme optimale pour les pastilles d20). Il est à noter que les résultats obtenus sur la pastille d60-1360C- 30MPa-7min p. laboratoire 1,05 Al ont été ajoutés à titre comparatif.
Figure III-14 : Variation du pourcentage de pores fermés en fonction de la pression appliquée pour une température de 1330°C et un temps de maintien de 5 min pour les pastilles densifiées à 60 MPa et de 7 min pour celles densifiées à 30 MPa
- lesài e titudesà al ul esàda sàleà asàdeà esu eàdeàpo osit àfe eàpa àpouss eàd á hi deà ta tàfai lesà ≈ 0,3%) elles ne sont pas renseignées ici
Cette figure etàe à ide eàlaàp se eàd u eàla geàdist i utio àdeàpo osit àauàsei àdesàpastillesà densifiées à 30 MPa comme à 60 MPa. Si les taux de pores sont comparables pour les pastilles de 20 mm de diamètre aux deux pressions considérées, les résultats obtenus sur les pastilles de diamètre 60 à o t e tà ueàleàtau àdeàpo esàte dà àdi i ue àlo sàd u eàaug e tatio àdeàpression. En effet, le tau àdeàpo osit à o e ào te uàpou à esàpastillesàlo sàd u eàde sifi ation à 30 MPa est de 7,0% contre 3,1% à 60 MPa. Ainsi, la pression de densification optimale a été fixée à 60 MPa.