EFFET DE L’ACTIVATION MECANIQUE SUR LA SYNTHESE DE CARBURE DE TITANE PAR COMBUSTION AUTO-PROPAGEE SHS
Ghania RACELMA(1), Kamal SAIDANI(2), Saïd AZEM(1)
Laboratoire (LEC2M) Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, Email :ghaniaracelma@yahoo.fr Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou , Email :, kamalsaidani@yahoo.fr
Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, Email : saidazem@mail.ummto.dz
RÉSUMÉ :
Ce travail à porté sur l’activation mécanique des poudres de titane et de carbone dans des proportions stœchiométriques du carbure TiC. Ce mélange a été activé pendant 1 h, 2 h, 5 h et 10 h, l’analyse par DRX révèle la synthèse de TiC après 5 h de broyage in situ par réaction entre Ti et C. l’amorçage de la réaction SHS sur le mélange activé 4 h donne lieu à une propagation rapide d’un front de réaction qui donne naissance au carbure de titane TiC identifier par DRX à la fin de la réaction SHS.
Mots clefs: la réaction SHS, le carbure de titane TiC.
1. Introduction
Certaines réactions chimiques entre solides sont suffisamment exothermiques pour que la chaleur libérée permette à ces réactions de s'entretenir par la propagation rapide d'une onde de combustion.
Ces réactions auto-propagées appelées SHS (Self-propagating High-temperature Synthesis) ou plus simplement synthèse par combustion présentent de nombreux intérêts, spécialement dans la production de céramiques réfractaires et de composés intermétalliques. Les produits synthétisés par SHS ont des propriétés différentes de ceux préparés par des méthodes conventionnelles et sont moins chers à produire. Lors du procédé SHS, la réaction est initiée en chauffant une petite région de l'échantillon jusqu'à la température d'initiation La chaleur nécessaire pour démarrer la réaction est relativement faible et peut notamment être fournie par un laser, une résistance chauffante, le passage d'un courant dans l'échantillon. Une fois amorcée, une chaleur suffisante est dégagée et permet à la réaction de se propager à travers tout l'échantillon. Les aspects attractifs de la SHS sont les hautes températures atteintes (2000K à 4000K), le déplacement rapide du front de combustion (0.1 à 25 cm/s) et des vitesses de montée en température très élevées (104 à 106 K.s-1). La synthèse par combustion auto- propagée est notamment utilisée pour élaborer des produits de pureté importante ne comportant qu'une seule phase à partir de réactifs élémentaires. Les produits synthétisés de cette manière incluent les carbures [1] les borures [2], les nitrures [3] et de nombreux intermétalliques [4]. Parmi les travaux relatifs à l’étude de la SHS, le système Ti-C a été largement étudié [1]; il est communément considéré comme un système modèle pour l’étude de la synthèse par combustion auto-propagée. Récemment une nouvelle variante du procédé SHS a été proposée par Bernard et al [5]. Ce procédé nommé MASHS (Mechanically Activated Self-propagating High-temperature Synthesis) consiste en une courte étape de co-broyage suivie d’une réaction auto-propagée. Le co-broyage permet d’uniformiser un mélange de réactifs à l’état pulvérulent, de diminuer la taille des cristallites, de favoriser la réaction SHS et
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 283 Dans ce travail nous nous sommes intéressés à l’influence des conditions de Co-broyage, sur la microstructure et l’homogénéité d’un mélange de poudres réactives de titane et de carbone. La taille des domaines cohérents de diffraction ainsi que les taux de micro-déformation ont été obtenus par diffraction des rayons X. La morphologie des particules de carbone et titane, la taille de grains et l’homogénéité du mélange on été étudiés par MEB (Microscope Electronique à Balayage). Enfin, l’influence de l’activation mécanique sur les conditions d’ignition et de propagation de la réaction SHS sera également discutée.
2. Conditions expérimentales
Les poudres de titane et les poudres de graphite sont mélangées en proportion stœchiométrique pendant 30 minutes dans un turbulat dans le but d’obtenir un mélange relativement uniforme. Cette opération consiste d’abord à broyer le titane seul sous atmosphère d’argon. Un broyeur de type vibrant (SPEX8000) est utilisé pour des durées de une heure, 2 heures, 5 heures et 10 heures à une vitesse de rotation de l’ordre 1725 tr/mn. Le broyage et le co-broyage des poudres sont absolument nécessaires afin d'avoir un mélange suffisamment réactif. De plus, il serait relativement intéressant de donner au mélange une bonne homogénéité, de réduire les tailles des grains des poudres synthétisées afin d'augmenter leur surface spécifique et ainsi améliorer le frittage des compacts. L’opération est réalisés dans une jarre métallique fermée sous vide afin d’éviter l’oxydation du titane par l’oxygène de l’air.
Le rapport masse de billes sur la masse de la poudre est égale à 10. Le but du broyage consiste à une activation mécanique du mélange Ti-C pour faciliter l’amorçage de la réaction SHS.
La microstructure des échantillons a été caractérisée par diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage (MEB). Enfin une série d’expériences SHS a été réalisée dans une enceinte sous vide primaire. La réaction est amorcée par un résistor en tungstène. Une caméra vidéo permet de suivre l’évolution de la réaction SHS.
3. Résultats et discussion 3.1. Activation mécanique
La poudre de titane est soumise seule au broyage mécanique à haute énergie pendant 2 heures puis mélangée au graphite dans la proportion du carbure de titane (TiC) stœchiométrique.
Le mélange est à nouveau soumis à un Co-broyage pendant de différentes durées à l’effet de déclencher la réaction de carburation in-situ. L’évolution de la réaction a été suivie par des diffractions des rayons X effectuées sur les mélanges broyées pendant 1, 2, 5 et 10 heures.
Figure 1 : Diffractogrammes des mélanges Ti-C broyés (a) 1h, (b) 2h, (c) 5h et (d) 10h
L’analyse révèle qu’après un broyage de 2h aucune réaction n’est détectée entre le carbone et le titane.
En effet, les diffractogrammes de la figure 1.a et b ne montrent que les pics de diffraction du titane. En revanche à 5 et 10 heures de broyage on observe l’apparition des pics du carbure de titane (TiC) et la disparition totale des raies du titane. Ceci met en évidence la réaction de carburation du titane ce résultat est en accord avec les travaux de Liu et al [6].
Cependant, les raies du carbure diminuent d’intensité et s’élargissent pour une durée de 10 heures de broyage. En effet, le carbure formé est soumis à l’énergie de broyage qui induit dans son réseau des microdéformations et diminuent la taille des cristallites. Ces deux effets se manifestent respectivement par une diminution de l’intensité des pics de diffraction ainsi que leur élargissement.
Ainsi, il s’avère qu’il est possible d’obtenir le carbure de titane seulement par l’effet du broyage. Ce phénomène appelé la mécanosynthèse est utilisé pour élaborer beaucoup de composés comme les carbures, les nitrures ainsi que les composés intermétalliques.
3.2 Amorçage de la réaction SHS
L’opération est réalisée dans une enceinte mise sous vide avant le déclenchement de la réaction. L’effet thermique de la réaction est suivi par une caméra vidéo fig2 qui enregistre la combustion autopropagée de l’échantillon.
La figure 2 montre les différentes séquences de la réaction SHS depuis son déclenchement jusqu’à sa fin. Le mélange de poudre broyé 4 h est étalé sur une plaque en céramique sur une longueur de 8 centimètres dans une enceinte étanche tirée au vide à l’aide d’une pompe primaire. Un thermocouple est placé au milieu de la poudre à mi-parcours pour enregistrer l’élévation de la température au passage de l’onde de combustion. La rapidité de la réaction exigerait un capteur de température approprié pour mesurer la température réelle.
La réaction est d’abord initiée en chauffant une petite région de l'échantillon jusqu'à la température d'initiation. Du fait de son caractère fortement exothermique, la réaction se propage jusqu'à la consommation complète des réactifs en donnant naissance à un nouveau produit qui est le carbure de titane (TiC).
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Figure 2 : Séquences de la réaction SHS et effet exothermique du mélange Ti-C.
Cette met en évidence une élévation brutale de la température à l’instant du passage de l’onde de combustion. Ceci témoigne du déroulement rapide d’une réaction « violente » et fortement exothermique. Ce résultat est nécessairement relié à la formation d’agrégats micrométriques constitués de titane nanocristallin et de carbone amorphe. La quantité d’interface Ti/C ayant été considérablement augmentée durant l’activation mécanique, la cinétique de la réaction de combustion est favorisée. Il faut toutefois remarquer que la quantité de micro-déformations présente dans les nanocristallites de Ti peut aussi favoriser la réactivité du mélange.
Cependant l’inertie thermique du thermocouple ne permet pas l’enregistrement la température réelle.
3.3 Analyse des produits de la réaction SHS 3.3.1 Mélange Ti-C
A l’issue de la réaction SHS, le produit obtenu est analysé par diffraction des rayons X et par microscopie électronique à balayage. La figure 3 montre le diffractogramme qui révèle uniquement le carbure de titane dont les raies de diffraction coïncident avec celles de la fiche JCPDS, ce qui montre sa bonne stœchiométrie. Par contre les produits initiaux ont complètement réagi pour donner naissance au carbure.
Figure 3 : Diffractogramme et morphologie de la poudre TiC
La micrographie obtenue par MEB, en électrons secondaires, met en évidence la morphologie facettée des particules de dimensions voisines de 1 à 5 µm. Cette forme polyédrique connue pour les carbures traduit leur fragilité et leur grande dureté.
4 Conclusion
Les poudres de titane et de graphite ont été Co-broyées dans un broyeur vibrant pendant 1 h, 2 h, 5 h et 10 h. Après 5 h de Co-broyage un mélange uniforme des poudres réactives est obtenu à l’échelle micrométrique. La synthèse du TiC par broyage est obtenue pour une durée de 5h.
L’activation mécanique a permis de réaliser la synthèse de carbure de titane. Le carbure de titane TiC est également produit par une réaction SHS amorcée sur une poudre préalablement broyée pendant 4 h.
les défauts introduits par le broyage augmente la réactivité du mélange qui nécessite une petite quantité de chaleur pour amorcer la réaction qui consume très rapidement les réactifs Ti et C et donne naissance au carbure de titane TiC.
Il apparait donc, qu’il est possible de synthétiser le carbure de titane très rapidement par la réaction SHS sur une poudre activée mécaniquement. En autre, la réaction SHS se déroule in situ dans le conteneur de broyage pour des durées dépassant 5 h d’activation mécanique.
Références
[1] Fan Q., Chai H., Jin Z.., « Microstructural evolution in the combustion synthesis of titanium carbide », Journal of Materials Science, vol. 31, 1996, p. 2573-2577.
[2] Roy S.K., Biswas A., Banerjee S., Bulletin of Mateial Science, vol. 16, 1993.
[3] Constantino M., Firpo C., Journal of Material Research, vol. 6, 1991.
[4] Lee S.H., Lee J.H., Lee Y.H., Shin D.H., Kim Y.S., « Effect of heating rate on the combustion synthesis of intermetallics », Materials Science and Engineering, vol. A281, 2000, p. 275-285.
[5] Bernard F., Charlot F., Gaffet E., Niepce J.C., International Journal of SHS, vol. 9, n° 2, 2000.
[6] Liu Z.G., Guo J.T., Ye L.L., Li G.S., Hu Z.Q.., « Formation mechanism of TiC by mechanical alloying »,
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T= 3s T= 5s T= 8s
