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RÉSUMÉ
Le frittage en phase liquide utilise les propriétés des liquides pour faciliter la cohésion des grains, constituer des composés fondant à température assez basse, ou aider au frittage de diverses céramiques, notamment les produits fortement covalents. Cet article détaille les différents phénomènes observés lors du frittage en phase liquide : réarrangement, dissolution, grossissement des grains, influence de la viscosité, caractéristiques du frittage par flux visqueux. Pour terminer, chaque paramètre influant le frittage en phase liquide est passé en revue.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Didier BERNACHE-ASSOLLANT : École nationale supérieure des mines (Saint-Étienne)
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Jean-Pierre BONNET : École nationale supérieure de céramique industrielle - Groupe d’étude des matériaux hétérogènes (Limoges)
INTRODUCTION
Lors de l’introduction d’un liquide dans un empilement granulaire quelconque, différents phénomènes peuvent être observés : la cohésion entre les grains augmente (tas de sable légèrement humide), une partie de la porosité est éliminée du fait de la migration du liquide dans les pores parfois accompagnée d’une contraction de l’empilement. De plus, certaines transformations très lentes peuvent être accélérées du fait de la diffusion plus rapide dans la phase liquide.
Ces propriétés des liquides sont utilisées depuis longtemps pour faciliter le frittage. Ainsi, la grésification est la règle pour les céramiques silicatées, où les réactions entre les constituants de départ forment des composés fondant à température assez basse, avec développement d’une abondante quantité de liquide visqueux.
Diverses céramiques techniques sont également frittées en présence d’une phase liquide. C’est notamment le cas des produits fortement covalents comme les nitrures, les carbures et les borures, pour lesquels les températures qu’il faut atteindre pour observer une densification significative par frittage en[nbsp ]phase solide sont soit trop élevées, soit incompatibles avec la stabilité chimique du composé. La solution généralement retenue pour densifier ces produits consiste à favoriser l’apparition d’un liquide dans la microstructure grâce à un ajout convenablement choisi. Ce frittage peut être effectué avec ou sans application d’une pression extérieure.
Il est rare que le frittage en phase liquide n’implique pas de réactions chimiques ; lorsque l’influence de ces réactions n’est pas prépondérante, ce sont les effets d’interface qui prédominent.
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Les différentes étapes du frittage en phase liquide
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1. Origine des liquides
1.1 Cas d’un produit pur
Un liquide peut apparaître au cours de la fusion non congruente d’un produit pur. Il s’agit soit d’une solution solide, soit d’une fusion péritectique. La quantité de liquide formée étant généralement très importante, cette situation est rarement compatible avec une bonne maîtrise de la forme de la pièce frittée. Néanmoins, ce type de liquide peut être utilisé avantageusement pour obtenir des céramiques denses dans quelques cas particuliers tels que les carbures de titane très sous-stœchiométriques en carbone ; une fusion non congruente de la solution solide TiC0,48 est observée à une température inférieure à 2 000 oC (figure 1).
HAUT DE PAGE1.2 Addition d’un ajout
Dans la majorité des cas, le céramiste provoque l’apparition du liquide par addition d’un ajout de frittage. Ce peut être un composé à bas point de fusion qui sert alors de simple liant (frittage de W en présence de Cu qui fond à 1 083 oC) ou un constituant susceptible de réagir avec le produit à fritter pour former la phase liquide (frittage de WC en présence de Co ou de Si3N4 en présence de MgO).
Selon la solubilité des constituants du liquide dans le solide, deux situations sont envisageables.
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Le liquide formé entre la phase majoritaire et l’ajout perdure tout au long de l’étape de densification et se solidifie au refroidissement sous forme d’une phase intergranulaire (le plus souvent amorphe), dont la présence peut affecter les propriétés du matériau final.
Exemplecas du frittage de SrTiO3 en présence de TiO2 . Faute d’une solubilité significative du dioxyde de titane dans le titanate de strontium (figure 2), le liquide qui se forme est thermodynamiquement stable à toute température supérieure à celle de l’eutectique (1 440 oC). Une augmentation de la température de frittage permet simplement d’en augmenter la quantité et d’en modifier la composition.
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Le liquide formé entre la phase majoritaire et la phase minoritaire...
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Origine des liquides
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GERMAN (R.M.) - * - Sintering theory and practice, J. Wiley & Sons., New York (1996).
-
(2) - BERNACHE-ASSOLLANT (D.) - * - Chimie- physique du frittage, Hermès, Paris (1993).
-
(3) - SHAW (N.J.) - Densification and Coarsening during solid state sintering of ceramics : A review of the models. I Densification. - Powder Met. Int., 21(3), p. 16-21 ; II Grain Growth, 21(5), p. 31-35 ; III Coarsening, 21(6), p. 25-29 (1989).
-
(4) - YAN (M.F.) - Effects of physical, chemical and kinetic factors on ceramic sintering. - In Ceramic Powder Science, Advances in Ceramics, 21, The Am. Ceram. Soc. Inc, p. 635-669 (1987).
-
(5) - BREGIROUX (D.) - Synthèse par voie liquide et étude du frittage de la monazite au lanthane LaPO4 . - CEA NT SEP03/220.
-
(6) - DEFAY (R.), PRIGOGINE (I.) - Tension superficielle...
ANNEXES
* - Outre les références pour le dossier AF 6620 et pour le dossier
NANA KOUMTOUDJI (G.L.) - Transformations thermiques, organisation structurale et frittage des composés kaolinite-muscovite. - Université de Limoges, faculté des Sciences et Techniques (2004).
LAFON (J.-P.) - Synthèse, stabilité et frittage d’hydroxyapatites carbonatées. - Univertisité de Limoges (2004).
LOUET (N.) - Influence du dopage à la silice ou à l’oxyde de calcium sur le frittage et sur l’évolution microstructurale d’une alumine et ultra pure. - INSA (2003).
Le HÔ (A.S.) - Effet de l’adjonction de bore sur les mécanismes de frittage de poudres d’un superalliage base nickel : application aux procédés de brasage-diffusion pour le rechargement de pièces de turbines aéronautiques. - Université de Poitiers, faculté des Sciences fondamentales et appliquées (2003).
HERBST (F.) - Transformation – frittage d’alumines de transition nanostructurées : rôle des conditions de mise en forme du cycle thermique, de l’ensemencement et du dopage. - Université de Paris-Sud (2002).
CLEMENTZ (P.) - Contribution à la modélisation du frittage avec phase liquide utilisant la théorie de l’homogénéisation. - Université de Franche- Comté, UFR des Sciences et Techniques (2002).
CANALE (P.) - Étude des mécanismes du frittage d’un composite à matrice métallique et à dispersoïdes de diamant. - Université de Paris-Sud (2001).
POLETTI (A.) - Contribution à l’étude du frittage des mélanges UO2+x– CeO2 traités sans atmosphère oxydante : comparaison avec le système UO2+x– PuO2 . - Université de Limoges, faculté des Sciences et Techniques (2001).
GENDRON (D.) - Étude numérique et expérimentale du frittage à l’échelle du grain. - Université de Bordeaux...
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