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Submitted on 1 Jan 1991
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CONSOLIDATION DYNAMIQUE DE POUDRE DE CUIVRE
T. Thomas, P. Bensussan, P. Chartagnac
To cite this version:
T. Thomas, P. Bensussan, P. Chartagnac. CONSOLIDATION DYNAMIQUE DE POUDRE DE CUIVRE. Journal de Physique IV Proceedings, EDP Sciences, 1991, 01 (C3), pp.C3-131-C3-138.
�10.1051/jp4:1991317�. �jpa-00249946�
CONSOLIDATION DYNAMIQUE DE POUDRE DE CUIVRE
T. THOMAS*, P. BENSUSSAN* et P. CHARTAGNAC**
*DGA/ETCA/CREA, 16 bis, avenue Prieur de la côte d'Or, F-94114 Rrcueil cedex, France
* * DGA/ETCR/CEG, F-46500 Gramat, France
RESUME : Des poudres de cuivre obtenues par solidification rapide (atonization gazeuse) ont été consolidées par ondes de choc produites par impacts de plaques.
Des simulations numériques 2D axisymétriques ont été faites pour optimiser le montage. L'influence de la géométrie de l'impacteur et de sa forme est présentée. Il a été montré qu'il est possible de modifier la forme du front d'onde de choc et de faire diminiuer l'ampliture des ondes de détente. L'influence du matériau constitutif de l'enclume sur la répartition des maximums de pression dans l'échantillon est étudiée.
Des observations métallographiques, des essais mécaniques et des analyses par tomographie X ont été menés et comparés aux calculs.
A B S T R A C T : Rapidely solidified copper powders were consolidated by shock waves produced from the impact of high velocity flyers. 2D axisymetrical numerical simulation have been performed in order to optimize the set-up. The influence of the geometry of the flyer and of its shape was studied. It's shown that it is possible to modify the shape of the shock-front and to diminish the rarefaction wave amplitude. The influence of anvil material on the maximum pressure amplitude is studied. Metallographic observations as well as X-ray-tomography experiments and tensile tests have been performed on consolidated sample. These experiments have permit to validate numerical simulations.
1 - INTRODUCTION
Durant ces 20 dernières années de gros efforts ont été faits pour développer des méthodes de solidification rapide (vitesse de refroidissement > 104 K/s) permettant la fabrication de poudre à microstructure ultra fine [1 et 2]. Ces méthodes permettent d'élaborer des matériaux pulvérulants à grains très fins, voire amorphes ou à compositions chimiques non thermodynamiquement stables (YBaCuO) [3 à 9]. Ces matériaux intéressent les industriels car ils ouvrent des champs d'applications importants de par leur grande homogénéité structurale, leurs caractéristiques mécaniques (dureté, fluage), chimiques (résistance à la corrosion) ou électroniques (supraconductivité). Ces produits devant être utilisés à l'état massif, l'opération de compactage devra permettre d e conserver les propriétés conférées à la matière lors du refroidissement.
La métallurgie des poudres classiques permet d'élaborer des matériaux massifs à partir de ces poudres mais n'est pas satisfaisante dans de nombreux cas. En effet, de par son principe, elle permet, en portant le matériau à hautes températures pendant des temps longs le retour à des états thermodynamiquement stables (grossissement de grains, ségrégation,...).
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jp4:1991317
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Parmi les méthodes envisageables pour compacter et consolider ces poudres, la consolidation dynamique par ondes de choc est particulièrement intéressante, en ce sens qu'elle permet la production de chaleur là où elle est nécessaire pour provoquer le soudage des particules entre elles à savoir aux interfaces des particules. Comme l'intérieur des particules reste "froid", la microstructure initiale peut être conservée. De plus ce dépôt d'énergie préférentiel va permettre d'envisager de provoquer des réactions qui nécessitent une grande quantité d'énergie pour s'initier.
Le principe de la consolidation dynamique par ondes de choc est simple et intuitif, et fait l'objet d'une abondante littérature [IO et 111. Une onde de choc se propageant dans le milieu poreux va provoquer la mise en mouvement des particules. Les déformations plastiques et les frottements interparticulaires résultant, vont engendrer des élévations de température localisées. Ces élévations de température pourront même provoquer la fusion du métal en surface des particules favorisant le frittage. Mais un matériau porté à haute pression doit ensuite revenir à un état de pression ambiant. Ce retour peut se faire progressivement en diminuant la pression derrière le front d'onde. Mais aussi par l'interaction d'ondes de détente qui peuvent provoquer la rupture en tension du matériau. Malgré ces problèmes des matériaux massifs sans fissures ont été élaborés [4, 10, 1 1 et 141.
Le but de la présente communication est la mise au point d'un montage et d'une méthode de simulation numérique permettant de comprendre les phénomènes intewenant durant le compactage. Le cuivre a été choisi comme matériau modèle.
2
-
METHODE EXPERIMENTALELa méthode retenues pour engendrer l'onde de choc, est l'impact de plaque au canon à poudre.
Cette méthode permet aisément de faire évoluer les caractéristiques du choc incident (pression, temps d'application) et de contrale précisément la qualité de I'impact (ce que ne permet pas ou difficilement I'impact par projection par édifices pyrotechniques ou la compaction cylindrique par explosif [IO]).
ANTI-ECÜLUGE
Le montage expérimental présenté sur la figure 1 fera l'objet des simulations numériques. Ce montage permet de conserver sous vide la poudre pré- compactée. II est constitué :
- d'une enclume en acier dans laquelle la poudre est confinée
- d'un bouchon dont la matière est iden- -
tique à celle de I'impacteur (Mg, Cu, Al)
-
de 4 frettes en acier45zzzm LWON ,COUVERCLE,
- de 2 plaques anti écaillage en cuivre. Fiaure 1 : Montage expérimental
Ces frettes et ces plaques anti écaillage permettent le piégeage d'une partie de l'énergie de détente et limite ainsi les risques de rupture en détente du matériau élaboré dans i'enclume.
3-1 Présentation d u code et des modèles modélisant les matériaux aux éléments finis, laaranuien
Les calculs ont été faits grâce à un code bi-dimensionnel (EFHYD 2 D de chez ESI) à schéma d'intégration explicite (méthode de la différence centrée). Ce code offre des contacts glissant avec ou sans frottement et des lois de comportement linéaires ou non.
Le modèle utilisé pour le matériau poudre est le modèle de Reaugh 1121. Le modèle décrit l'évolution du matériau en 2 phases successives. Une première phase durant laquelle le matériau a un comportement poreux.
Pendant cette phase :
1
-vs
avec
: ( = Y J'
1 + v - 2 v s
Y0
Ceci jusqu'à p =- 1 -1 = pc
v
Dans une seconde phase, le matériau est considéré comme dense et :
où A est le module du solide, B un paramètre pc est tel que :
Le modèle utilisé pour les autres matériaux constitutifs du montage est un modèle élasto- plastique hydrodynamique. L'équation d'état étant choisie sous sa forme polynominale ou sa forme Mie Grüneisen.
3-2 Maillaae utilisé
Le maillage utilisé permet de simuler le fonctionnement de l'ensemble de la cible et ainsi de dimensionner chaque élément en fonction de critères fixés. II est à noter qu'à partir d'un certain temps les phénomènes intervenant dans la poudre sont impossibles à interpréter et de plus le modèle utilisé n'est plus fiable (problème en détente). Par contre, le calcul permet tout de même de quantifier les déformations, les contraintes et les énergies dans les frettes et les plaques anti écaillage.
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3-3 Etude de l'effet de différents paramètres sur la forme de I'onde aui se prowaae dans la poudre
Les premiers calculs nous ont montré que le fait de solliciter par I'impacteur l'enclume et le bouchon, crée des ondes de choc dans les deux pièces, mais qui se propagent à des vitesses différentes. Ceci a pour effet de courber le front d'onde de choc dans la poudre (figure 2). De plus, une onde de contournement va venir charger la poudre par le bas qui se combinera à l'incidente. Ceci est dommageable à plusieurs titres. D'abord I'onde n'étant pas plane, l'analyse est plus difficile et implique un dimensionnement correct pour s'affranchir de cet effet (pendant quelques ps).
Ensuite parce que la combinaison des ondes de compressions incidente et de contournement va engendrer des pressions élevées (60 à 100 GPa) et des
'rime= 3
Min=-3&d Max=OAGpa A =-27 Gpa
8 =-24 Gpa C -21 Cpa D 1-10 Gpa E -15 Gpa F =-12 Gpa O = - 9 G p a H = - 3 G p a
inhomogénéités de sollicitations en
1 1
contraintes. C'est pourquoi nous avons Fiaure 2 : Contour de contrainte suivant simulé quelques géométries particulières, l'axe de symétrie
Effet du diamètre de I'hwacteur
La figure 3 montre trois cas. Dans chacun des cas le diamètre et l'épaisseur de la poudre restent constants, seul de diamètre de I'impacteur varie. On remarque sur ces figures que i'on peut, en diminuant le diamètre relatif de I'impacteur par rapport à celui de la poudre, diminuer l'effet du contournement pour le supprimer dans le cas du piston. Mais en menant le calcul plus loin, des problèmes de confinement apparaissent ce qui est inacceptable lorsque I'on souhaite récupérer dans les meilleures conditions le matériau élaboré. Ceci impose donc un compromis et un dimensionnement correct de i'impacteur.
Fiaure 3 : Effet du diamètre de I'impacteur sur la forme du front d'onde pour = 50 mm Effet de la forme de I'impacteur
Partant de l'idée que si I'on pouvait éviter ou limiter les effets de bords dûs à I'impacteur [131, des simulations 3D ont permis de comparer la sollicitation engendrée par un impacteur en forme d'étoile et par un impacteur cylindrique dans une cible massive en acier.
Les résultats des simulations montrent (figure 4) que les niveaux de pressions engendrées et la chronologie sont identiques dans les 2 cas pour un même point dans la cible. Par contre, l'amplitude des ondes de détente sont trés différentes dans les 2 cas. En effet une onde de l'ordre de 1200 MPa apparaît dans le cas du cylindre alors qu'elle n'est que de 500 MPa dans le cas de l'étoile. Ceci est extrêmement important quand on travaille sur des matériaux fragiles.
Fiaure 4 : Comparaison des contraintes suivant l'axe de symétrie engendrées par : a) impacteur étoile b) impacteur cylindrique (MPa, ys)
Effet du matériau constitutif de l'enclume
Constatant que I'effet de contournement était dû à la différence de célérité de l'onde de choc dans les matériaux, il était naturel d18tudier l'effet de ce paramètre. Sur la figure 5 est présentée la comparaison faite avec une enclume en acier et une en uranium. II est intéressant de constater que dans le cas de I'uranium la répartition des pressions maximales (en MPa) atteintes est beaucoup plus homogène que dans le cas de l'acier. De plus, les surpressions engendrées par la combinaison des ondes incidentes et de contournement disparaît quasiment dans le cas de I'uranium.
a) Pm,, = 130 GPa b) Pm,, = 47 GPa
Fiaure 5 : Comparaison des pressions max engendrées avec : a) enclume en acier b) enclume en uranium
Ceci montre la nécessité de bien choisir le matériau constitutif du montage. II est vrai que le choix de I'uranium n'est pas des plus commodes expérimentalement, mais il est difficile de trouver un matériau ayant cette impédance de choc et des caractéristiques mécaniques d'un bon niveau.
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RESULTATS EXPERIMENTAUXDe nombreux essais ont été menés durant lesquels l'influence de plusieurs paramètres a été étudiée, à savoir :
-
le matériau constitutif de I'impacteur : Cu, Al, Mg (niveau de pression)-
I'épaisseur de I'impacteur (temps de maintien du contact impacteur cible) - la forme de I'impacteur (niveau des détentes)-
l'effet du vide dans la poudre (feuilletage)Des matériaux monolithiques ont été élaborés en quantité suffisante (0 25 mm ép qq mm) pour mener des analyses métallographiques, micromécaniques (dureté) d'homogénéité chimique qui ont permis de valider qualitativement les simulations numériques. En effet l'analyse des déformations des particules et de l'enclume ont permis de valider le mode de propagation des ondes.
Dans un échantillon non fissuré, il a été possible d'élaborer des éprouvettes de traction. Ces éprouvettes entaillées ont été usinées conventionnellement et prélevées parallèlement au plan d'impact (figure 6). Les courbes de traction [141 ont montré que le matériau est très écroui et est fragile (A% < 1 %).
Finure 6 : Eprouvettes de traction
L'observation des faciès de rupture montre clairement la rupture interpariculaire macro fragile et la rupture micro ductile en cupule à la surface des ex-particules qui est la preuve d'un soudage interparticulaire. D'autre part, il a été constaté que le module d'Young apparent variait dans l'épaisseur de 60 000 MPa à 120 000 MPa ce qui est le signe de la présence d'une porosité résiduelle variable dans I'épaisseur. Cette variation peut être prédite par le calcul et a été montrée par tomographie X.
5
-
CONCLUSIONSUn montage de consolidation dynamique par onde de choc a été mis au point qui permet la récupération d'échantillon massif. Des échantillons sans fissure ont été élaborés (figure 7).
Fiaure 7 : Exemple ae cuivre consolidé dynamiquement exempt de fissures
montage sur la qualité de la sollicitation (planéité du front d'onde et amplitude des détentes).
Les essais mécaniques, les caractérisations métallurgiques et l'analyse par tomographie X ont permis de valider qualitativement les simulations.
On notera que des éprouvettes de traction de 20 mm de long et d'une section de 2 x 3 mm ont été testées montrant l'évolution des propriéts du matériau dans l'épaisseur de l'échantillon.
REMERCIEMENTS
Les auteurs remercient les participants de la société Engineering Systems International pour leur appui numérique
BIBLIOGRAPHIE
[Il
"Rapidly Solidified Materials", ed. Kear, BH. and Giessen, B.C. Materials Research Society Symposia Proceedings, V28, 1984[2l "Rapid Solidification Processing", Principles and Technologies", ed. R. Mehrabian, National Bureau of Standards, 1983
E31 "Shock consolidation of a rapidly solidified steel powder" P. Kasiray, T. Vreeland Jr, R.B.
Schwarz and T.J. Ahrens, Acta metall vol 32 pp 1235-1241, 1984
[41 "Shock compaction of NiTi alloy powder", Hitishi Matsumoto, Ken lchi Kondo, Shoso Dohi, Akiraz Sawaoka. Journal of materials science 22, pp 581 -586 (1 987)
[51 "Microstructural changes tacking place during dynamic compaction of aluminium powders", Moris D.G. Journal of materials science 21, pp 1 11 1-1 11 7 (1 986)
E61 "Microstructural modifications in a dynamically consolidated microcrystallin Nickel-Titanium alloy powder", Thadani N.N. Vreeland T. Jr, Arhens T.J. Journal of material science 22, pp 4446-4452 (1 987)
[71 "Metallurgical analysis of dynamically compacted monosized aluminium -6% Silicon powder", Smugeresky J.E., Gaudin W.H. Shock waves in condensed matter, pp 107-108 (1 985)
181 "Particle interaction and bonding for dynamically consolidated Fe4ONi powders", Korth G.E., Flinn J.E., Doyle T.E. Shock waves in condensed matter, pp 415-418 (1985)
[9) Shock consolidation of AlLi alloy powders", L.H. Yu, M.A. Meyers, T.C. Peng, Materials science and engineering A132 (1 991) pp 257-265
[IO] "Shock compression processing of powders", N.N. Thadhani, Adv. materials and manufac- turing processes, pp 493-549 (1988)
[Il] "Dynamic consolidation of metal powders", W.H. Gourdin, Progress in materials science vol 30 pp 39-80 (1 987)
C3-138 JOURNAL DE PHYSIQUE IV
[12] "Equations of state for the dynamic consolidation of powders" Reaugh J.E., LLNL, UCRL
-
95452 (1 987)
[13] "Three-dimensional computer modeling of a shock recovery experiment", R.L. Rabie, J.E.
Vorthman and J.K. Dienes, Shock waves in condensed matter, pp 1991 -202 (1 983)
[141 "Dynamic consolidation of copper powder : 20 numerical simulation, T. Thomas, P.
Bensussan, P. Chartagnac, Explomet 1990, à paraître
