Elaboration et caractérisation du composé NiAl par la méthode conventionnelle, SHS et explosion thermique

Principe du procédé

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 (Ti). 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.
Selon le mode d’ignition, les réactions SHS se subdivisent en deux grandes catégories: la première consiste à amorcer localement la réaction, généralement à l’une des extrémités de l’échantillon par l’intermédiaire d’une source chaude. L’apport d’énergie doit être suffisant pour que localement l’échantillon soit porté à la température d’ignition (Tig) de la réaction SHS et être suffisamment rapide pour éviter la conversion lente des réactifs. La réaction s’initie alors localement et se propage sans autre apport énergétique sous la forme d’une onde de chaleur à travers tout l’échantillon.
la seconde, souvent appelée explosion thermique, consiste à chauffer tout le mélange de poudres jusqu’à la température d’ignition à laquelle la combustion se déclenche simultanément en tout point de l’échantillon. En quelques dixièmes de secondes, la température maximum dite température de combustion, proche de la température adiabatique du mélange réactionnel (Tad) est atteinte dans tout le système.

Différents types de réactions SHS

En fonction du mode d’ignition, les réactions SHS se divisent en deux grandes catégories. La première, consiste à amorcer la réaction localement, généralement à l’une des extrémités de l’échantillon, via une source chaude : filament de tungstène, lasers, four… Cet apport d’énergie extérieure doit remplir deux conditions : être capable de porter localement l’échantillon à la température d’ignition (Tig, ou température d’amorçage) de la réaction SHS et être suffisamment rapide pour éviter une conversion lente des réactifs. Dans ces conditions, la réaction s’initie et se propage sans autre apport énergétique sous la forme d’une onde de chaleur à travers tout l’échantillon.
Le second type de synthèse SHS, communément appelée synthèse de combustion en volume (volum combustion synthesis VCS), qui est plus appropriée pour les réactions faiblement exothermique et désignée parfois sous le non du mode explosion thermique, consiste à chauffer tout le mélange de poudres jusqu’à la température d’ignition à laquelle la combustion se déclenche simultanément en tout point de l’échantillon.
En plus du mode d’ignition, les synthèses par SHS sont classées en fonction de l’état initial des réactifs. La réaction de type solide/solide lorsque le système réactionnel est composé de deux solides, solide/gaz lorsque l’un des réactifs est sous forme gazeuse et solide/liquide si l’un deux est à l’état liquide.

Paramètres influents sur une réaction de type SHS

La synthèse des nouveaux matériaux par SHS nécessite des plusieurs paramètres expérimentaux dont les principaux
Granulométrie des réactifs : La diminution de la taille des particules (ou l’augmentation de leurs surfaces spécifiques, ce qui est équivalent), a pour conséquence l’augmentation de la surface de contact entre les grains, ce qui limite ainsi les distances de diffusion des atomes et donc augmente la réactivité du mélange. Li et al. ont montré que la diminution de la taille des poudres conduit à une réduction de la zone de combustion. De ce fait, les pertes thermiques sont plus faibles et la vitesse de propagation et la température de combustion sont plus élevées. Ces résultats sont corroborés par Rice et Subrahmanyan qui ont montré que la vitesse du front augmentait quand la taille des grains de nickel diminuait jusqu’à une valeur critique à partir de laquelle elle devient constante. Enfin, il est généralement observé qu’une augmentation de la taille des grains se traduit par une Tc plus faible et une réaction incomplète.
Densité des échantillons : La forme des pastilles, conditionnant les échanges thermiques avec l’extérieur, joue nécessairement un rôle dans le déroulement des réactions d’auto-combustion. Ainsi, sous certaines conditions opératoires, il a été montré que la SHS se déclenchait pour des pastilles d’une épaisseur de 6-7 mm tandis qu’aucune réaction n’était observée pour des compacts moins épais .
Mode d’amorçage et vitesse de propagation : La réaction s’amorce localement, alors même que le reste de l’échantillon est encore froid, puis se propage jusqu’à la conversion totale des réactifs avec des températures typiques de ces réactions vont de 1800 à 6000K. L’échantillon subit un apport local de chaleur (filament de tungstène ou plaque de graphite chauffé par effet Joule, pulse de laser de puissance, . . .) sur l’une de ses extrémités. Les vitesses de propagation variant de quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres par seconde (0.1 – 15 cm.s−1).
P. Zhu et al. ont montré que dans la figure I.6 le palier observé après Tc correspond à la recristallisation de NiAl qui s’opère aux alentours de 1640°C. Les vitesses de propagation du front (Vp) et de montée en température (Vr) correspondent respectivement à la vitesse de déplacement du front thermique le long de l’échantillon et à la rampe de température au moment de la réaction avec Tig (température d’ignition) correspond à la température d’amorçage de l’auto-combustion et Tc (température de combustion) est la température maximale atteinte lors de la combustion.

La méthode conventionnelle (frittage)

Au début du siècle, l‟élaboration de la métallurgie des poudres se décompose en deux étapes: le pressage ou la compaction des poudres, puis le frittage ou une consolidation à haute température et sa mise en forme à froid. Les premiers travaux théoriques sur le frittage ont été développés à l‟échelle du grain . Les poudres des métaux utilisées pour le frittage sont caractérisées par leur composition, leur forme et leur surface spécifique. Ces poudres peuvent être obtenues par plusieurs méthodes : soit mécaniquement, par broyage et concassage de métaux à l’état solide ou par atomisation de métaux à l’état liquide.
Principe du procédé : Le frittage est un processus de traitement thermique conduisant à la consolidation d’un agglomérat à partir de poudres plus ou moins fines, ce qui s’effectue grâce à la formation de liaisons entre les grains, et qui a pour effet de densifier le matériau et de rehausser ses propriétés mécaniques. Il se réalise à une température inférieure à celle de fusion du constituant principal. Lors du frittage les grains s’unissent et se renforcent entre eux, avec formation de joint de grains et élimination de la porosité. C’est ainsi l’excès d’énergie des surfaces et interfaces des poudres qui induit la densification par transport de matière . Il est réalisé dans un four à une température proche de la fusion du métal. Il est souvent réalisé sous vide ou sous atmosphère protectrice pour éviter l’oxydation par l’oxygène de l’air.
Après frittage, si on obtient un matériau ayant la même composition chimique que la poudre initiale alors il s’agit d’un frittage non réactif et si la composition diffère alors c’est un frittage réactif. Sur l’état initial les aires des interfaces solide/solide sont très faibles alors que les surfaces solide/vapeur sont considérables . La taille des interfaces solide/solide augmente et les surfaces solide/vapeur diminuent. La diminution d’énergie induite par la diminution des surfaces solide/vapeur étant plus importante que l’augmentation de l’énergie solide/solide, l’énergie de surface totale diminue.

Différents types de frittage

Sous l’effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui forme la cohésion de la pièce. Il existe trois types de frittages :
le « frittage en phase liquide » se produit lorsqu’on est en présence d’un mélange de poudres de métaux à bas et à haut point de fusion, la température de frittage est supérieure à la température de fusion du composant le plus facilement fusible, de telle sorte que ce dernier baigne la phase solide résiduelle pendant tout ou partie de la durée de l’opération.
se produit lorsqu’on est en présence d’un mélange de poudres de métaux à bas et à haut point de fusion ; la température de frittage est supérieure à la température de fusion du composant le plus facilement fusible, de telle sorte que ce dernier baigne la phase solide résiduelle pendant tout ou partie de la durée de l’opération.
la « vitrification » si qui correspond à l’apparition, lors du chauffage, d’une phase vitreuse en quantité suffisante pour combler la porosité.
le « frittage en phase solide » si tous les constituants restent en phase solide. Il s’effectue à une température inferieure à la température de fusion des deux constituants avec un certain temps de maintien à cette température. Le frittage en phase solide est caractérisé essentiellement par des transports d’atomes ou d’ions par diffusion, qui aboutissent à une diminution de l’enthalpie libre globale.

Table des matières

Introduction Générale
1 Introduction
2 Objectifs de la thèse
3 Présentation de la thèse
Première partie : Synthèse bibliographique
Chapitre I : Procédés d’élaboration
I.1 Synthèse par combustion auto-propagée (SHS)
I.1.1 Introduction
I.1.2 Principe du procédé
I.1.3 Théories
I.1.3.1 Théories de la propagations du front de combustion
I.1.3.2 Modèles microstructuraux
I.1.3.3 Modèles cellulaires
I.1.4 Considérations thermodynamiques
I.1.5 Type de propagations du front de réaction
I.1.6 Différents types de réactions SHS
I.1.7 Paramètres influents sur une réactions de type SHS
I.1.7.1 Granulométrie des réactifs
I.1.7.2 Densité des échantillons
I.1.7.3 Mode d’amorçage et vitesse de propagation
I.1.8 Les avantages et les applications de la combustion auto-propagée (SHS)
I.2 La méthode conventionnelle (frittage)
I.2.1 Introduction
I.2.2 Principe du procédé
I.2.3 Les étapes du frittage
I.2.3.1 La première étape
I.2.3.2 La deuxième étape
I.2.3.3 La troisième étape
I.2.4 Paramètres de frittage
I.2.3.1 Influence de la température
I.2.3.2 Influence de la durée
I.2.3.3 Influence de l’atmosphère
I.2.3.4 Influence de la granulométrie
I.2.5 Différents types de frittage
I.2.6 Frittage conventionnel et frittage sous charge
I.2.7 Les avantages les applications du frittage
I.3 Techniques associées aux procédés SHS et AP
I.3.1 Broyage mécanique à haute énergie et activation mécanique des réactifs
I.3.1.1 Introduction
I.3.1.2 Définition
I.3.1.3 Principe du procédé
I.3.1.4 Différents types de broyeurs
I.3.1.5 Paramètres du broyage
I.3.1.5.a La nature de la poudre
I.3.1.5.b La vitesse de rotation des jarres
I.3.1.5.c La nature des billes et des jarres
I.3.1.5.d Le rapport masse bille/masse poudre
I.3.1.5.e Le temps
I.3.1.5.f La température de broyage
I.3.1.5.g Le degré de remplissage
I.3.1.5.h L’atmosphère de broyage
I.3.1.5.i La contamination
I.3.1.6 Les avantages et les applications du broyage
I.3.2 Pressage uniaxial
I.3.3 Le procédé MASHS
I.3.4 Le procédé M2AP
I.4 Conclusion du premier chapitre
Références du premier chapitre
Chapitre II : Généralités sur les nanomatériaux et les intermétalliques NiAl
II.1 Les nanomatériaux
II.1.1 Introduction
II.1.2 Définition
II.1.3 Structure des nanomatériaux
II.1.3.1 Cœur de grain
II.1.3.2 Joints de grains
II.1.3.3 Lignes triples
II.1.4 Propriétés des nanomatériaux
II.1.5 Les techniques d‟obtention des matériaux nanocristallins
II.1.6 Les applications des nanomatériaux
II.2 Les intermétalliques du système Ni-Al
II.2.1 Introduction.
II.2.2 Etat des connaissances sur le nickel, l’aluminium et leurs alliages
II.2.3 Diagramme de phases binaire Ni-Al
II.2.4 Structure cristallographique
II.2.5 Propriétés thermodynamiques
II.2.6 Caractéristiques structurales des composés NiAl et Ni3Al
II.2.6.1 Le composé NiAl
II.2.6.2 Le composé Ni3Al
II.2.6.3 Transformation β-ϓ
II.2.7 Défauts et diffusion dans l‟alliage du système Ni-Al.
II.2.7.1 Défauts et diffusion dans la phase B2-NiAl
II.2.7.2 Défauts et diffusion dans la phase Ll2-Ni3Al
II.2.8 Résistance à l’oxydation
II.3 Conclusion du deuxième chapitre
Références du deuxième chapitre
Deuxième partie : Résultats expérimentaux et discussions
Chapitre III : Elaboration et techniques de caractérisation de l’alliage
III.1 L’élaboration
III.1.1 Le dosage
III.1.2 Le broyage
III.1.3 La compaction
III.1.4 Synthèse des échantillons
III.1.4.1 Synthèse par la méthode conventionnelle (frittage)
III.1.4.1.a L’enrobage
III.1.4.1.b Le frittage
III.1.4.2 Synthèse par combustion auto-propagée (SHS).
III.2 Techniques de caractérisation
III.2.1 Microscope éléctronique à balayage (MEB)
III.2.2 Diffraction des rayons X (DRX)
III.2.2.1 Méthode de Rietveld
III.2.2.1.1 Introduction
III.2.2.1.2 Profils des raies de diffraction
III.2.2.1.3 Contribution Instrumentale
III.2.2.1.4 Analyse microstructurale
III.2.2.1.5 Méthodes d‟ajustement des profils
III.2.2.1.5.1 Affinement de structure par ajustement de profil total
III.2.2.1.5.2 Enregistrement et affinement des diffractogrammes de rayons X
III.3 Conclusion du troisième chapitre
Références du troisième chapitre
Chapitre IV : Etude structurale et microstructurale
IV.1 Elaboration par Broyage mécanique à haute énergie
IV.1.1 Morphologie des particules de poudre
IV.1.2 Etude par diffraction de rayons X
IV.1.2.1 Analyse structurale
IV.1.2.1.1 Paramètre cristallin du nickel
IV.1.2.1.2 Paramètre cristallin de l’aluminium
IV.1.2.2 Analyse microstructurale
IV.1.2.2.1 Phase de nickel
IV.1.2.2.2 Phase d’aluminium
IV.2 Elaboration par le procédé MASHS
IV.2.1 Morphologie des échantillons
IV.2.2 Etude par diffraction de rayons X
IV.2.2.1 Pourcentages volumiques des phases
IV.2.2.2 Analyse structurale
IV.2.2.2.1 Paramètre cristallin de la phase NiAl
IV.2.2.2.2 Paramètre cristallin de la phase Ni3Al
IV.2.2.3 Analyse microstructurale
IV.2.2.3.1 Phase NiAl
IV.2.2.3.2 Phase Ni3Al
IV.3 Elaboration par le procédé M2AP
IV.3.1 Morphologie des échantillons
IV.3.2 Etude par diffraction de rayons X
IV.3.2.1 Analyse structurale
IV.3.2.1.1 Paramètre cristallin de la phase NiAl
IV.3.2.2 Analyse microstructurale
IV.4 Conclusion du quatrième chapitre
Références du quatrième chapitre
Conclusion Générale
1 Conclusion
2 Perspectives et suggestions