Un examen de 9 techniques de frittage pour les céramiques en carbure de silicium

Carbure de silicium (SiC), une céramique structurelle de premier plan, est réputée pour ses propriétés exceptionnelles, notamment sa résistance aux températures élevées, sa dureté, son module élastique, sa résistance à l'usure, sa conductivité thermique et sa résistance à la corrosion. Ces attributs le rendent adapté à une large gamme d'applications, depuis les utilisations industrielles traditionnelles dans les meubles de fours à haute température, les buses de brûleur, les échangeurs de chaleur, les bagues d'étanchéité et les paliers lisses, jusqu'aux applications avancées telles que les blindages balistiques, les miroirs spatiaux, les mandrins pour plaquettes semi-conductrices, et le gainage du combustible nucléaire.

Le processus de frittage est crucial pour déterminer les propriétés finales deCéramique SiC. Des recherches approfondies ont conduit au développement de diverses techniques de frittage, allant de méthodes établies comme le frittage par réaction, le frittage sans pression, le frittage par recristallisation et le pressage à chaud, jusqu'à des innovations plus récentes comme le frittage par plasma étincelant, le frittage flash et le frittage sous pression oscillatoire.

Voici un aperçu de neuf événements importantsCéramique SiCtechniques de frittage :

1. Pressage à chaud :

Initié par Alliegro et al. chez Norton Company, le pressage à chaud consiste à appliquer simultanément de la chaleur et de la pression à unPoudre de SiCcompacté dans une matrice. Cette méthode permet une densification et une mise en forme simultanées. Bien qu'efficace, le pressage à chaud nécessite un équipement complexe, des matrices spécialisées et un contrôle rigoureux du processus. Ses limites incluent une consommation d’énergie élevée, une complexité de forme limitée et des coûts de production élevés.

2. Frittage par réaction :

Proposé pour la première fois par P. Popper dans les années 1950, le frittage par réaction consiste à mélangerPoudre de SiCavec une source de carbone. Le corps vert, formé par coulée en barbotine, pressage à sec ou pressage isostatique à froid, subit un processus d'infiltration de silicium. Un chauffage au-dessus de 1 500°C sous vide ou sous atmosphère inerte fait fondre le silicium, qui s'infiltre dans le corps poreux par capillarité. Le silicium liquide ou gazeux réagit avec le carbone, formant in situ du β-SiC qui se lie aux particules de SiC existantes, donnant lieu à une céramique dense.

Le SiC lié par réaction présente de faibles températures de frittage, une rentabilité et une densification élevée. Le retrait négligeable lors du frittage le rend particulièrement adapté aux composants de grande taille et de forme complexe. Les applications typiques incluent les meubles de four à haute température, les tubes radiants, les échangeurs de chaleur et les buses de désulfuration.

Itinéraire de processus Semicorex du bateau RBSiC

3. Frittage sans pression :

Développé par S. Prochazka et al. chez GE en 1974, le frittage sans pression élimine le besoin de pression externe. La densification se produit à 2000-2150°C sous pression atmosphérique (1,01×105 Pa) dans une atmosphère inerte à l'aide d'additifs de frittage. Le frittage sans pression peut être classé en frittage à l’état solide et en phase liquide.

Le frittage sans pression à l'état solide permet d'atteindre des densités élevées (3,10-3,15 g/cm3) sans phases vitreuses intergranulaires, ce qui se traduit par des propriétés mécaniques exceptionnelles à haute température, avec des températures d'utilisation atteignant 1 600 °C. Cependant, une croissance excessive des grains à des températures de frittage élevées peut avoir un impact négatif sur la résistance.

Le frittage sans pression en phase liquide élargit le champ d’application des céramiques SiC. La phase liquide, formée par fusion d'un seul composant ou réaction eutectique de plusieurs composants, améliore la cinétique de densification en fournissant un chemin de diffusivité élevé, conduisant à des températures de frittage plus basses par rapport au frittage à l'état solide. La granulométrie fine et la phase liquide intergranulaire résiduelle du SiC fritté en phase liquide favorisent une transition de la fracture transgranulaire à la fracture intergranulaire, améliorant ainsi la résistance à la flexion et la ténacité à la rupture.

Le frittage sans pression est une technologie mature qui présente des avantages tels que la rentabilité et la polyvalence des formes. Le SiC fritté à l'état solide, en particulier, offre une microstructure uniforme et haute densité et d'excellentes performances globales, ce qui le rend adapté aux composants résistants à l'usure et à la corrosion tels que les bagues d'étanchéité et les roulements lisses.

Armure en carbure de silicium fritté sans pression

4. Frittage par recristallisation :

Dans les années 1980, Kriegesmann a démontré la fabrication de matériaux recristallisés de haute performance.Céramique SiCpar coulée en barbotine suivie d'un frittage à 2450°C. Cette technique a été rapidement adoptée pour une production à grande échelle par FCT (Allemagne) et Norton (USA).

Le SiC recristallisé consiste à fritter un corps vert formé en remplissant des particules de SiC de différentes tailles. Les particules fines, uniformément réparties dans les interstices des particules plus grossières, s'évaporent et se condensent aux points de contact des particules plus grosses à des températures supérieures à 2 100 °C sous atmosphère contrôlée. Ce mécanisme d'évaporation-condensation forme de nouveaux joints de grains au niveau des cols des particules, conduisant à la croissance des grains, à la formation de cols et à un corps fritté avec une porosité résiduelle.

Les principales caractéristiques du SiC recristallisé comprennent :

Retrait minimal : l'absence de limite de grain ou de diffusion volumique pendant le frittage entraîne un retrait négligeable.

Façonnage quasi net : la densité frittée reste presque identique à la densité du corps vert.

Limites de grains propres : Le SiC recristallisé présente des limites de grains propres, dépourvues de phases vitreuses ou d'impuretés.

Porosité résiduelle : Le corps fritté conserve généralement 10 à 20 % de porosité.

5. Pressage isostatique à chaud (HIP) :

HIP utilise la pression d'un gaz inerte (généralement de l'argon) pour améliorer la densification. Le compact de poudre SiC, scellé dans un récipient en verre ou en métal, est soumis à une pression isostatique dans un four. À mesure que la température atteint la plage de frittage, un compresseur maintient une pression de gaz initiale de plusieurs mégapascals. Cette pression augmente progressivement pendant le chauffage, atteignant jusqu'à 200 MPa, éliminant efficacement les pores internes et atteignant une densité élevée.

6. Frittage par plasma étincelant (SPS) :

Le SPS est une nouvelle technique de métallurgie des poudres permettant de produire des matériaux denses, notamment des métaux, des céramiques et des composites. Il utilise des impulsions électriques à haute énergie pour générer un courant électrique pulsé et un plasma d’étincelles entre les particules de poudre. Ce chauffage localisé et cette génération de plasma se produisent à des températures relativement basses et pendant de courtes durées, permettant un frittage rapide. Le processus élimine efficacement les contaminants de surface, active les surfaces des particules et favorise une densification rapide. Le SPS a été utilisé avec succès pour fabriquer des céramiques SiC denses en utilisant Al2O3 et Y2O3 comme auxiliaires de frittage.

7. Frittage au micro-ondes :

Contrairement au chauffage conventionnel, le frittage par micro-ondes exploite la perte diélectrique des matériaux dans un champ électromagnétique micro-ondes pour réaliser un chauffage et un frittage volumétriques. Cette méthode offre des avantages tels que des températures de frittage plus basses, des vitesses de chauffage plus rapides et une densification améliorée. Le transport de masse amélioré lors du frittage par micro-ondes favorise également les microstructures à grains fins.

8. Frittage éclair :

Le frittage flash (FS) a attiré l'attention pour sa faible consommation d'énergie et sa cinétique de frittage ultra-rapide. Le processus consiste à appliquer une tension aux bornes d’un corps vert dans un four. Lorsqu'une température seuil est atteinte, une augmentation soudaine et non linéaire du courant génère un chauffage Joule rapide, conduisant à une densification quasi instantanée en quelques secondes.

9. Frittage sous pression oscillatoire (OPS) :

L'introduction d'une pression dynamique pendant le frittage perturbe l'imbrication et l'agglomération des particules, réduisant ainsi la taille et la distribution des pores. Il en résulte des microstructures très denses, à grains fins et homogènes, produisant des céramiques fiables et à haute résistance. Lancé par l’équipe de Xie Zhipeng de l’Université Tsinghua, OPS remplace la pression statique constante du frittage conventionnel par une pression oscillatoire dynamique.

OPS offre plusieurs avantages :

Densité verte améliorée : la pression oscillatoire continue favorise le réarrangement des particules, augmentant considérablement la densité verte du compact de poudre.

Force motrice de frittage accrue : OPS fournit une plus grande force motrice pour la densification, améliorant la rotation des grains, le glissement et l'écoulement du plastique. Ceci est particulièrement bénéfique au cours des dernières étapes du frittage, où la fréquence et l'amplitude des oscillations contrôlées éliminent efficacement les pores résiduels aux joints de grains.

Photographie d'un équipement de frittage sous pression oscillatoire

Comparaison des techniques courantes :

Parmi ces techniques, le frittage par réaction, le frittage sans pression et le frittage par recristallisation sont largement utilisés pour la production industrielle de SiC, chacun présentant des avantages uniques, entraînant des microstructures, des propriétés et des applications distinctes.

SiC lié par réaction :Offre de faibles températures de frittage, une rentabilité, un retrait minimal et une densification élevée, ce qui le rend adapté aux composants de grande taille et de forme complexe. Les applications typiques incluent les meubles de four à haute température, les buses de brûleur, les échangeurs de chaleur et les réflecteurs optiques.

SiC fritté sans pression :Offre une rentabilité, une polyvalence de forme, une haute densité, une microstructure uniforme et d'excellentes propriétés globales, ce qui le rend idéal pour les composants de précision tels que les joints, les roulements lisses, les blindages balistiques, les réflecteurs optiques et les mandrins de plaquettes semi-conductrices.

SiC recristallisé :Présente des phases SiC pures, une pureté élevée, une porosité élevée, une excellente conductivité thermique et une résistance aux chocs thermiques, ce qui le rend adapté aux meubles de four à haute température, aux échangeurs de chaleur et aux buses de brûleur.**

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