Protocole expérimental de frittage

Les frittages ont été menés sur une machine SPS HPD 125 commercialisée par la société FCT System GmbH (Figure 2-3).

Figure 2-3 : Machine SPS FCT HPD 125 installée au laboratoire ICB

1 10 100

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Pourcentage volumique

Diamètres des particules (µm)

10 µm

39 Suivant la taille et la nature de l'échantillon, il est possible d'atteindre une température proche de 2200 °C grâce à une puissance de chauffage maximum délivrée de 180 kW. Le courant (< 24 kA) peut être délivré en séquence ou en continu. De par ces forts courants, il est possible d'atteindre des vitesses de chauffe de l'ordre de 1000 °C/min. La séquence de courant délivrée lors des essais de frittage est composée de plusieurs grandeurs : Temps ON, Temps OFF, Répétition, Temps entre séquence. Dans tous les essais de frittage de ce travail, la même séquence est délivrée : 20-20-1-0 (Figure 2-4) c'est à dire que la durée de l'impulsion est de 20 ms, elle est suivie d'une pause de 20 ms.

Cette séquence est ensuite répétée une fois sans pause entre chaque séquence. Une force uniaxiale maximale de 1250 kN peut être appliquée sur des échantillons de diamètre maximum de 150 mm.

Les échantillons ont été frittés sous vide ( .

Figure 2-4 : Représentation schématique des pulses de courant utilisés lors des essais de frittage

2.2. Protocole de préparation du système

Une feuille de papyex de 0,37 mm d'épaisseur est placée dans une matrice en graphite de diamètre intérieur 30,7 mm, de diamètre extérieur 90 mm et de hauteur 50 mm. Les pistons également en graphite ont une hauteur et un diamètre de 30 mm. Les pistons sont percés sur 23 mm afin de permettre le passage du pyromètre. Le diamètre du perçage des pistons est de 10 mm. Enfin, une feuille de 30 mm de diamètre de papyex est placée entre les pistons et la poudre (Figure 2-5).

Temps Courant

Temps ON

Temps OFF

Temps ON

20 ms 20 ms 20 ms

Protocole expérimental de frittage

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Figure 2-5 : Représentation schématique de la poudre entre les pistons dans la matrice

Pour obtenir un échantillon d'épaisseur 5 mm et de diamètre 30 mm, 68,2 g de tungstène sont nécessaires. Une pression de 25 bars est appliquée avant l'introduction du système [matrice, pistons, poudre] dans le SPS en utilisant une presse à main afin de s'assurer de la bonne reproductibilité des essais.

2.3. Cycle de frittage caractéristique

Les paramètres de frittage SPS qui peuvent être optimisés dans le cadre de notre étude sont : la température, le temps de palier, la vitesse de montée au palier, la pression appliquée et l'atmosphère comme l'indique la Figure 2-6. Dans la suite de l'étude, le cycle appliqué sera noté de la façon suivante : {température, temps de palier, vitesse de montée au palier, pression appliquée, atmosphère}. Le paramètre "étudié" pour l'établissement de cette carte de frittage sera noté "X". Par exemple, si la température de frittage est étudiée et que les autres paramètres sont maintenus constants c'est-à-dire une vitesse de chauffage à 100 °C.min^-1, un temps de palier de 10 min sous une pression de 100 MPa sous vide alors les conditions de frittage utilisées seront notées de la manière suivante : {X, 10 min, 100 °C.min^-1, 100 MPa, vide}. L'échantillon fritté à partir de la poudre W-PTA est noté W-PTAf dans la suite de l'étude.

5 mm

30 mm 0,37 mm

90 mm

50 mm 1,4 mm

10 mm Matrice Pistons

Trou pour le thermocouple

Poudre Papyex

41

Figure 2-6 : Cycle de frittage SPS et paramètres étudiés {température, temps de palier, vitesse de montée au palier, pression, atmosphère}

De manière générale, lors du frittage d'une poudre, le volume de la poudre diminue lorsque la température de frittage augmente. Lors d'un frittage par SPS, la pression appliquée sur la poudre limite la diminution du diamètre de l'échantillon. La diminution du volume est équivalente à la diminution de l'épaisseur. La diminution de l'épaisseur est mesurée au cours du temps lors du frittage. Elle est appelée "déplacement". Le déplacement est alors tracé en fonction de la température mesurée par le pyromètre comme le montre la Figure 2-7. Cette figure montre le déplacement en fonction de la température de l'échantillon fritté suivant les conditions {1900 °C, 10 min, 100 °C.min^-1, 100 MPa, vide}. Les trois phases de frittage c'est à dire le chauffage, le palier en température et le refroidissement sont également représentées sur cette courbe. La partie supérieure de cette courbe correspond au chauffage. Entre 700 et 1100 °C, l'augmentation du déplacement correspond à la dilatation thermique du système matrice/piston. A partir de 1100 °C, la densification de la poudre W-PTA commence. Entre 1300 et 1400 °C, le déplacement n'évolue plus.

Cette zone de température, notée Δt, qui correspond à un palier de retard au frittage sera étudié dans la suite de l'étude. Enfin, la densification reprend à 1400 °C. A partir de 1900 °C, le déplacement diminue lors du palier de 10 min à 1900 °C. Après le palier à 1900 °C, l'évolution du déplacement lors du refroidissement est également suivie.

Pression (MPa)

Temps (min) 20-20-1-0

Température

Temps de palier Vitesse de

montée au palier

3min 10min

450°C

Puissance machine : 45%

Pression Température (°C)

Protocole expérimental de frittage

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Figure 2-7 : Courbe de déplacement caractéristique du frittage de la poudre W-PTA suivant les conditions : {1900 °C, 10 min, 100 °C.min^-1, 100 MPa, vide}

2.4. Méthodes de caractérisations des échantillons frittés

Les échantillons une fois frittés sont généralement recouverts d'une feuille de papyex qui est éliminée simplement par polissage mécanique ou sablage avant caractérisation.

Les densités ont été déterminées par la méthode d'Archimède après imprégnation des échantillons dans l'eau distillée.

La taille des grains des échantillons frittés est obtenue suivant la norme ISO 643-2003. La taille des grains est mesurée à partir de plusieurs micrographies MEB ayant au minimum 300 grains. La moyenne est alors estimée à partir de 600 grains. Les tailles de grains présentées dans ce travail correspondent directement aux tailles mesurées par cette méthode de comptage.

A partir des mesures de densité et de taille des grains de chaque condition de frittage, la carte de frittage du tungstène PTA peut être établie. Cette carte permet de définir les paramètres de frittage SPS à appliquer pour atteindre une densité maximale tout en limitant le grossissement des grains.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 -5

-4 -3 -2 -1 0 1

Refroidissement

Déplacement (mm)

Température (°C)

t Chauffage

Palier

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