« Le frittage peut être décrit comme le passage d’un compact pulvérulent à un matériau cohérent sous l’action de la chaleur »[50]. Les particules denses constituant une poudre peuvent être composées de plusieurs cristallites (grains). Une poudre est moins stable qu’un massif en raison de son énergie superficielle plus élevée (surface spécifique). Ainsi la poudre va tendre naturellement à évoluer vers un état plus stable. Pour cela, le système peut diminuer l’aire des interfaces solide-gaz en diminuant le nombre de particules, ce qui équivaut à un grossissement de ces particules (mûrissement d’Ostwald). Il peut aussi remplacer les interfaces solide-gaz par des interfaces solide-solide moins énergétiques par formation de ponts entre les particules (frittage). Lors du frittage, des liaisons se forment par diffusion entre les particules à des températures inférieures au point de fusion du matériau (Figure 61). La surface des particules sera alors progressivement remplacée par des joints de grains. Au cours de ce procédé, le matériau n’entre pas en fusion et garde donc sa géométrie initiale (d’avant frittage). En revanche, si le frittage est densifiant, les dimensions seront réduites de manière isotrope (retrait).
Il existe deux types de frittage :
- Le frittage en phase solide, durant lequel, tous les constituants demeurent solides (pas de
fusion).
- Le frittage en phase liquide, où le liquide formé par la fusion d’un des constituants (à la
température de frittage) permet un réarrangement des particules ainsi que la formation de ponts liquides entre les particules par capillarité. Le frittage en phase liquide a pour but
d’accélérer le frittage car la diffusion en phase liquide est 104
fois plus rapide que la diffusion en phase solide [49].
Compatibilité métallurgique et principe du frittage Diffusion atomique
Lorsque la composition du matériau après frittage est identique à la composition initiale, on parle de frittage non réactif. Dans le cas contraire, on parle de frittage réactif.
A noter que le processus de frittage peut être effectué avec l’aide d’une pression mécanique, ce qui permet d’améliorer le contact entre les particules et ainsi d’augmenter la densité du matériau fritté. Dans le cas du frittage d’un matériau métallique, l’action de la pression peut aussi engendrer des déformations plastiques et donc de dislocations. La présence de ces dislocations accélère la diffusion et donc le procédé de frittage (voir « pipe » diffusion, au II.3.1.2).
Ce type de frittage est appelé frittage sous charge (avec pression) et fait opposition au frittage naturel (sans pression). Afin d’obtenir une densité finale satisfaisante lors d’un frittage naturel, la poudre est préalablement compactée (à l’aide d’une presse, de liants etc.). Cette mise en forme préalable au traitement thermique, aux dimensions quasi-finale de la pièce, est similaire à la réalisation d’une préforme. Cette étape pourrait avoir un intérêt dans le cas d’assemblage par frittage d’argent. On peut par exemple imaginer d’utiliser une préforme (compactée grâce à plusieurs dizaines de MPa) puis effectuer un frittage sous très faible charge (quelques MPa) ou même sans charge tout en obtenant une densité finale du joint d’argent proche de celle de l’argent massif.
Les différents types de frittage sont résumés dans la classification ci-dessous :
Nous décrirons ici les causes du phénomène de frittage en phase solide uniquement (non réactif) puisque c’est le cas qui correspond au frittage d’argent. La pression régnant dans une particule sphérique de rayon r (ou une goutte) est fonction de son rayon ainsi que de la tension superficielle
solide-gaz ( ).
Cette pression est régie par la loi de Laplace :
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Où est la pression qui règne dans le solide, est la pression sous une surface plane (plan).
La pression à l’intérieur d’une particule est donc plus grande que celle sous un plan, ce qui équivaut à une force de compression qui contraint la particule sphérique. Suivant cette même formule, plus une particule est petite, plus les forces de compression auxquelles elle sera soumise seront grandes. Pour un pore (espace entre les particules), l’effet inverse se produit, ainsi, plus un pore sera petit, plus les forces de tension auxquelles il sera soumis seront grandes.
De la même manière, les contraintes appliquées à deux particules en contact sont illustrées dans la figure ci-dessous :
Ces contraintes vont avoir une grande influence sur le transport de matière puisqu’elles vont favoriser le transit de la matière vers le(s) joint(s) de grain(s) pour former le pont de jonction entre les particules. La matière peut alors provenir de plusieurs sources : la surface des particules, le centre du joint de grain et le volume de la particule. Différents modes de transport sont envisageables depuis trois sources (voir Tableau 5) et avec le pont comme puits de matière. Les modes de transport se rapportent aux mécanismes de diffusion décrits au paragraphe II.3
Figure 63: Contraintes exercées sur deux particules en contact [51]
Source de
matière Mode de transport Remarque
Surface des particules
Evaporation-condensation Consolidation Diffusion superficielle (voir §II.3.1.3) Consolidation
Diffusion en volume (voir §II.3.1.1) Consolidation
Joint de grains
Diffusion aux joints de grains (voir §II.3.1.4) Consolidation/densification Diffusion en volume (voir §II.3.1.1) Consolidation/densification
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Tableau 5: Modes de transport de matière
Il faut savoir que plusieurs modes de transport de matière peuvent intervenir en même temps et que leur cinétique dépend de la température ainsi que de la taille des particules (Figure 64).
Le frittage peut être densifiant ou non, selon la source de matière qui conduit à la croissance du pont entre les particules. Globalement, le frittage densifiant aura lieu lorsque le mode de croissance du pont implique un rapprochement des particules. Lors du frittage d’une poudre d’argent à basse température, les modes de transport susceptibles d’intervenir sont : la diffusion de surface, la diffusion au joint de grains et surtout la diffusion par dislocation depuis le volume du grain. L’argent étant très ductile, les dislocations y sont particulièrement mobiles, favorisant la diffusion atomique. Les mêmes modes de transport sont susceptibles d’intervenir entre le joint d’argent fritté et les différentes finitions des éléments à assembler (interface), voir Figure 44. Dans la première partie de ce chapitre, un certain nombre de défauts liés aux mécanismes de diffusion, situés aux interfaces entre différents métaux a été présenté. De la même manière, il semble essentiel de s’intéresser aux possibles interactions pouvant avoir lieu entre l’argent fritté et les différentes finitions envisageables pour les différentes parties du module.
Volume de la particule
Diffusion en volume(voir §II.3.1.2) Diffusion/dislocation
Consolidation/densification
Intervient plus généralement pour les métaux (ductiles)
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