Modélisation numérique du procédé de frittage SPS : contribution à l'homogénéisation des températures et analyse de la dispersion

Résumé

Le procédé de frittage SPS (Spark Plasma Sintering) est une technique de consolidation des matériaux par compactage rapide de poudres. Son principe est basé sur l’application d’une pression uniaxiale associée à un courant pulsé qui génère un taux de chauffage rapide. La possibilité d’appliquer des températures relativement basses (comparées à celles des procédés conventionnels) avec des durées de chauffage très courtes, permet de limiter le grossissement des grains et d’améliorer les propriétés finales des matériaux. Les limitations majeures du frittage SPS sont liées, d’une part, à la méconnaissance de la température réelle de l’échantillon et d’autre part, à l’apparition de gradients thermiques, qui conduisent à l’hétérogénéité de la microstructure et par conséquent à celle des propriétés du matériau fritté. Dans cette étude, des expériences de frittage SPS ont été réalisées, dans le cas de l’alumine, choisie comme modèle représentatif pour les matériaux non-conducteurs. Leurs résultats ont été utilisés pour développer un modèle par éléments finis, couplant les phénomènes thermiques et électriques impliqués dans ce procédé. Des simulations numériques ont été réalisées pour analyser l’effet de plusieurs paramètres sur la distribution de température dans l’échantillon, relatifs soit à l’échantillon (dimensions et forme, conductivité thermique et électrique) soit à la procédure expérimentale (feuilles de contact, design et dimensions de l’outillage SPS, emplacement de la matrice par rapport à l’échantillon, isolation thermique, et les points de mesures de la température). Une attention particulière a été accordée à l’influence de certains paramètres expérimentaux qui sont évoqués mais rarement analysés dans la littérature, notamment la dissymétrie du refroidissement du système SPS et l’isolation thermique de la matrice. Les simulations basées sur le modèle développé ont montré qu’une isolation thermique partielle de la matrice (en utilisant un feutre isolant) est plus efficace pour homogénéiser la température dans l’échantillon, que l’isolation totale de la matrice, couramment utilisée. Par ailleurs, le modèle montre qu’il est possible d’optimiser la distribution de température dans l’échantillon, en combinant un décalage contrôlé de la matrice avec une isolation thermique optimale en jouant sur l’épaisseur et la hauteur du feutre. Par ailleurs, le modèle construit nous a permis d’identifier deux sources potentielles d’erreur à l’origine de la dispersion de la température lors des expériences SPS, à savoir un désalignement du pyromètre axial de régulation et un décalage de la matrice par rapport à l’échantillon. Ces deux sources d’erreur ont un impact important sur la déviation de la température par rapport à la consigne imposée et sur le gradient thermique axial engendré dans l’échantillon. Leurs effets qui peuvent se cumuler sont accentués dans le cas d’échantillons de grandes dimensions.

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