POUDRES MÉTALLURGIE DES
Théorie du frittage
Le but du frittage est d'obtenir à partir des poudres un solide plus ou moins dense sans passer par l'état liquide (frittage d'une poudre de nature donnée), ou en maintenant à l'état solide au moins un des constituants du système (frittage en phase liquide d'un mélange de poudres). Dans le cas d'un frittage en phase solide, l'écart entre la température de traitement et la température de fusion est le plus souvent supérieur à 0,25 fois cette dernière. Le phénomène du frittage est influencé par de nombreux facteurs : caractéristiques propres des poudres (morphologie, dimensions, pureté...), conditions du traitement thermique (température, durée, pression...) et atmosphère de traitement (vide, atmosphères protectrices diverses...).
Frittage en phase solide
La thermodynamique montre que, ce processus étant irréversible, l'enthalpie libre du système doit diminuer au cours de son évolution. Cette diminution résulte essentiellement d'une réduction de l'énergie de surface (surface libre des particules, puis surface des pores). On peut diviser le processus en deux stades : il y a d'abord formation de zones de raccordement, appelées « ponts » de soudure ou « cous », entre particules en contact, puis disparition progressive de la porosité résiduelle.
Formation des ponts
Les particules de poudres étant supposées sphériques, de rayon r uniforme, et tangentes entre elles, deux groupes de mécanismes ont été proposés à partir de ce modèle théorique, suivant que les centres des sphères ne se rapprochent pas (évaporation-condensation ou diffusion superficielle) ou se rapprochent ( écoulement visqueux, diffusion en volume ou diffusion intergranulaire). Dans le second cas, les agglomérés présentent un retrait notable et la porosité résiduelle est progressivement éliminée.
Le mécanisme d'évaporation-condensation mis en évidence par W. D. Kingery lors de son étude du frittage de petites billes de chlorure de sodium est schématisé sur la figure. Pour établir la relation qui donne, à température donnée, la loi de croissance du rayon x du cou en fonction du temps, on tient compte du gradient de tension de vapeur qui existe entre les zones voisines de la surface convexe des sphères et les zones voisines de la surface concave du cou ; on écrit alors que la variation de volume de ce cou par unité de temps est égale à la quantité de matière qui se condense à la surface de la zone de raccordement ; en utilisant l'équation de Langmuir et la formule de Kelvin, on arrive à l'expression :
Mécanisme d'évaporation-condensation
Encyclopædia Universalis France
Ponts de raccordement et variations des distances
Encyclopædia Universalis France
dans laquelle x est le rayon du pont, r le rayon des particules de poudres, γ l'enthalpie libre superficielle spécifique du matériau constituant les granules, p0 la pression de vapeur au voisinage d'une surface plane de ce matériau, a3 le volume d'un atome, d la densité, k la constante de Boltzmann, T la température absolue, M le poids atomique du matériau considéré, R la constante des gaz parfaits et t le temps.
Mécanisme d'écoulement visqueux
Encyclopædia Universalis France
Le mécanisme d'écoulement visqueux est schématisé sur la figure. On parle d'écoulement plastique si l'évolution morphologique s'opère par glissement suivant des plans et des directions cristallographiques et d'écoulement visqueux dans les autres cas. Dans l'hypothèse d'un écoulement newtonien, le déplacement des atomes s'effectue sous l'effet d'un cisaillement proportionnel au gradient de vitesse, la constante de proportionnalité étant égale à la viscosité du matériau considéré. Pour trouver la loi de croissance d'un pont, on écrit que l'énergie dissipée par l'écoulement du matériau :
(d'après Frenkel) est égale au travail effectué par les forces de surface, soit :
En intégrant, il vient :
Chemin d'élimination des lacunes
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Le mécanisme mettant en jeu la diffusion en volume ( a) est fondé sur l'existence[...]
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Écrit par
- Gérard BERANGER : Professeur, directeur du laboratoire des matériaux de l'université de technologie de Compiègne
- Georges CIZERON : professeur à l'université Paris-Sud, Orsay, directeur du laboratoire de structure des matériaux métalliques, Orsay
Classification
Médias
Procédés de fabrication
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Mécanisme d'évaporation-condensation
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Ponts de raccordement et variations des distances
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