FR2564827A1 - Procede pour braser une electrode metallique sur un element en ceramique en carbure de silicium electriquement conducteur et element en ceramique en carbure de silicium realise selon le procede - Google Patents

Procede pour braser une electrode metallique sur un element en ceramique en carbure de silicium electriquement conducteur et element en ceramique en carbure de silicium realise selon le procede Download PDF

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Abstract

PROCEDE POUR BRASER UNE ELECTRODE METALLIQUE 7 SUR UN ELEMENT EN CERAMIQUE EN CARBURE DE SILICIUM ELECTRIQUEMENT CONDUCTEUR 3, EN PARTICULIER UN ELEMENT CHAUFFANT, REALISE AU MOYEN DE SILICIUM. CE DERNIER EST AMENE DANS LA REGION DU BRASAGE AVANT LE CHAUFFAGE. ON REALISE SEULEMENT UN CHAUFFAGE PARTIEL DE L'ELEMENT EN CERAMIQUE, AUQUEL IL EST MIS FIN PEU APRES LA FUSION DU SILICUM. GRACE A CETTE LIAISON PAR BRASAGE, L'ELECTRODE METALLIQUE 7 EST MUNIE SUR AU MOINS UNE PARTIE IMPORTANTE DE SA SURFACE SITUEE EN DEHORS DE LA POSITION DE BRASAGE D'UNE COUCHE DE PROTECTION ANTI-CORROSION. ON OBTIENT AINSI UNE LIAISON PAR BRASAGE DE LONGUE DUREE DE VIE.

Description

Procédé pour braser une électrode métallique sur un élément en céramique
en carbure de silicium électriquement conducteur, et élément en céramique en carbure de silicium réalisé selon le procédé. L'invention concerne un procédé de brasage d'une électrode métallique sur un élément en céramique en carbure de silicium électriquement conducteur, en particulier un élément chauffant, au moyen de silicium qui est rendu liquide par une opération de chauffages ainsi qu'un élément en céramique en carbure de silicium réalisé selon ce procédé et comprenant unile électrode métallique brasée au moyen de silicium. On connait par la demande de brevet allemand non publiée P 32 43 397.2 - un élément de traitement de combustible dont la chambre de traitement est constituée au moins en partie d'un tube de céramique servant simultanément d'élément chauffant. On prévoit dans ce but, pour le raccord des conducteurs, deux électrodes métalliques de forme annulaire, constituées d'un matériau présentant approximativement le même coefficient de dilatation thermique que le carbure de silicium, par exemple du tungstène ou du molybdène. Ces électrodes métalliques de forme annulaire sont brasées au moyen de silicium soit sur la périphérie du tube soit sur le cSté frontal d'une bride annulaire en carbure de silicium montée sur le tube. Quand on utilise du silicium comme agent de brasage, on obtient une bonne liaison électrique entre l'électrode métallique et l'élément en céramique en carbure de silicium, avec une très faible résistance de passage. De ce fait, il est possible de transmettre des puissances électriques importantes, telles que celles qui sont nécessaires pour des éléments chauffants. On évite des sollicitations mécaniques résultant de modifications de température par des coefficients de
dilatation thermique mutuellement égaux.
L'invention a pour but de proposer un procédé de brasage du type mentionné dans le préambule au moyen duquel la durée de vie du dispositif à électrode soit augmentée, même quand ce dernier est soumis
à une forte sollicitation thermique en fonctionnement.
Selon l'invention, ce but est atteint du fait que l'on ne réalise qu'un chauffage partiel de l'élément en céramique, auquel il est mis
fin peu après la fusion du silicium.
Le silicium liquide réagit avec le métal de l'électrode de façon très intensive en formant des siliciures métalliques. Ce matériau est fragile et peut avoir une influence sur la solidité de la liaison par brasage. Selon l'invention cependant, il peut ne se former que peu de siliciure métallique du fait que le silicium liquide qui réagit facilement n'est présent que pendant une courte durée. On met à nouveau fin au chauffage peu après la fusion du silicium, et comme il n'y a eu qu'un chauffage partiel, la région chauffée peut se refroidir rapidement par dissipation de la chaleur dans la région non chauffée, ce qui fait que l'on repasse très rapidement au-dessous du point de
fusion du silicium.
Le chauffage partiel doit être effectué assez longtemps pour qu'une partie suffisante de la surface de contact entre l'électrode métallique et l'élément en céramique, et de préférence l'ensemble de la surface de contact, soit baignée par le silicium liquide. Plus la surface de l'électrode métallique recouverte de silicium liquide est importante, plus cela est favorable car le silicium forme simultanément une couche de protection anti-corrosion. Mais il faut faire en sorte que le silicium ne reste pas à l'état liquide beaucoup plus longtemps que cela est nécessaire pour le processus de distribution. Des durées de chauffage avantageuses sont de l'ordre de quelques secondes et de
préférence inférieures à 10 secondes, et même à 5 secondes.
Il est particulièrement avantageux que le chauffage partiel soit réalisé au moyen d'une haute fréquence. Ce chauffage peut alors être bien concentré dans la région désirée sans avoir d'influence sur le
reste de l'élément en céramique.
Lorsque l'électrode métallique est brasée sur une bride annulaire en carbure de silicium d'un élément en céramique en carbure de silicium de forme tubulaire ou de bâton, il convient que le chauffage soit limité à la région de la bride annulaire. Pour réaliser ce chauffage, on peut disposer sur la bride annulaire une bobine à haute fréquence dont la longueur axiale correspond approximativement à celle de la
bride annulaire.
Il est également avantageux que le silicium soit amené dans la région o a lieu le brasage avant l'opération de chauffage. La durée du chauffage est particulièrement courte et peut être réglée avec beaucoup
de précision.
Le silicium peut être amené sous forme de poudre ou de pâte, c'est-à-dire d'une poudre mélangée à de l'eau, de la cire et/ou un
autre agent.
Pour que le silicium ne s'échappe pas pendant le chauffage par formation de bulles ou de toute autre manière, il convient que le dispositif de chauffage n'applique pas de forces importantes sur le silicium. Il doit fonctionner dans une atmosphère tranquille, comme dans le cas d'un chauffage à haute fréquence, ou bien on doit prévoir
une cloison protégeant le silicium apporté.
Selon un mode de réalisation préféré, on prévoit dans la partie en céramique un trou dans lequel on introduit l'électrode, on dépose le silicium sur la surface de la partie en céramique, dans la région de la sortie de l'électrode, et on réalise ensuite le chauffage de manière que le silicium fondu pénètre dans l'interstice compris entre le trou et l'électrode. Cet interstice se remplit très rapidement de silicium liquide. Ceci est valable même quand l'interstice est étroit car l'effet de capillarité favorise la circulation. De ce fait, l'électrode se trouve entourée d'une couche de silicium au moins dans la partie située dans le trou, et dans la plupart des cas également au-dessus, cette couche empêchant la corrosion de l'électrode quand elle est en service. La partie de l'électrode qui fait saillie hors du trou peut être recouverte au moins partiellement d'un manchon de protection résistant à la corrosion. Ceci permet de protéger également contre la corrosion
la partie encore libre de l'électrode.
Avantageusement, le brasage est réalisé dans un gaz de protection.
En évitant le contact de l'oxygène pendant le brasage, on évite tous les phénomènes d'oxydation, ce qui donne une liaison par brasage encore meilleure. L'azote, l'hydrogène, l'argon et analogues conviennent en tant que gaz de protection. Un élément en céramique en carbure de silicium réalisé selon ce procédé se caractérise, selon l'invention, du fait que l'électrode métallique est munie d'une couche de protection anticorrosion au moins sur la plus grande partie de sa surface se trouvant à l'extérieur de la position de brasage. L'électrode métallique est ainsi protégée contre la corrosion, comme elle peut avoir lieu sous l'effet de l'oxygène de l'air quand les températures de fonctionnement sont élevées, par la couche de silicium située dans la région de la position du brasage et par la couche de protection située
en dehors de cette région.
De préférence, il est fait en sorte que l'électrode soit constituée sous forme d'une tige introduite dans un trou de l'élément en céramique et brasée en cet endroit au moyen de silicium, et que la partie de l'électrode qui fait saillie vers l'extérieur soit recouverte d'un manchon de protection. De ce fait, la protection contre la corrosion est obtenue à l'intérieur du trou par la couche de silicium
et à l'extérieur du trou par le manchon de protection.
La section de la surface de l'électrode restant libre entre l'élément en céramique et le manchon de protection doit être munie d'une couche de protection en silicium. On peut très facilement réaliser cette dernière en déposant le silicium sur l'élément en
céramique à l'entrée du trou avant le brasage.
Le manchon de protection est constitué de préférence en acier inoxydable. Il peut être fixé en particulier au moyen d'un métal d'apport de brasage fort. Ceci constitue un mode de réalisation simple
et peu coûteux.
Selon une autre caractéristique, la couche de protection peut s'étendre axialement au-dessus de l'électrode et entourer le conducteur d'amenée. Le montage du conducteur d'amenée est alors particulièrement simple du fait de cette double fonction qui est remplie par la couche
de protection.
Le conducteur d'amenée peut être également fixé dans la couche de protection au moyen d'un métal d'apport de brasage fort. Mais à la place de ce dernier on peut également envisager d'autres possibilités
de fixation, par exemple par soudage.
Bien qu'il soit surtout question d'éléments en céramique en carbure de silicium, cette désignation concerne également des éléments en céramique en carbure de silicium qui sont en plus imprégnés de silicium. L'invention n'exclut pas non plus les dopages conférant au matériau de céramique une caractéristique de résistance qui est
fonction de la température.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui
suit d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, dans laquelle on se réfère aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un élément en céramique en carbure de silicium selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe partielle de l'élément en céramique, directement avant le brasage, la figure 3 est une vue en coupe partielle de la région du brasage, après ce brasage, et la figure 4 est une vue en coupe longitudinale partielle de la
région de brasage, après mise en place du manchon de protection.
On peut voir à la figure 1 un élément en céramique 1 de forme tubulaire, constitué en carbure de silicium, muni à ses deux extrémités d'une bride annulaire respective 2 et 3. Les parties 1 à 3 sont assemblées par exemple avant le frittage et reliées les unes aux autres par ce frittage. Elles peuvent être également assemblées après le frittage et ensuite reunies les unes aux autres par addition de silicium liquide. Un tel tube peut tre utilisé, an particulier en association avec d'autres sections en céramique, en tant que brûleur à vaporisation, ainsi que cela est expliqué dans la demande antérieure
P 32 43 397.2.
La bride annulaire 2 est munie d'un trou axial 4 dans lequel est maintenue une électrode métallique en forme de tige 5. La bride annulaire 3 est munie d'un trou axial 6 dans lequel est maintenue une électrode métallique en forme de tige 7. Les électrodes métalliques sont constituées d'un métal possédant sensiblement les mêmes coefficients de dilatation thermique que le carbure de silicium, soit par exemple du molybdène ou du tungstène. Les deux électrodes métalliques portent chacune à l'extérieur un manchon de protection 8 ou 9 en acier inoxydable, servant également à la fixation d'un conducteur
d'amenée 10 ou 11.
Pour la fabrication, on procède de la façon suivante: Selon la figure 2, on enfonce l'électrode métallique en forme de tige 7 dans le trou 6. On dépose à l'entrée du trou et autour de l'électrode une masse de silicium, sous forme de poudre ou de pâte. Autour de la bride annulaire 3 est disposée une bobine 13 présentant une longueur axiale
correspondant approximativement à celle de la bride annulaire 3.
Ensuite, on alimente la bobine 13 au moyen d'un courant haute fréquence de façon que la région de la bride annulaire soit chauffée à une température à laquelle le silicium de la masse 12 fond. Le silicium liquide baigne l'électrode 7 dans la région de la masse 12 et pénètre dans l'interstice compris entre l'électrode 7 et le trou 6, l'effet de capillarité pouvant favoriser ce mouvement. Il se constitue ainsi la couche de protection en silicium 14 montrée à la figure 3, qui entoure l'électrode 7 dans la totalité de la région du brasage et un peu au- dessus. On coupe le courant envoyé à la bobine peu après que le silicium soit devenu liquide. Comme on n'a recours qu'à un chauffage partiel de l'élément en céramique, la région du brasage se refroidit
très rapidement, ce qui fait que le silicium se solidifie brusquement.
Comme le silicium ne réagit avec le métal de l'électrode 7 que lorsqu'il est à l'état liquide, il ne peut se former que de petites
quantités de siliciures métalliques perturbateurs.
Pour protéger également la partie restante de l'électrode métallique 7 contre la corrosion, on dispose sur elle le manchon de protection 9 en acier inoxydable et on le fixe par exemple au moyen d'un métal d'apport de brasage fort. On enfonce le manchon sur l'électrode 7 suffisamment pour qu'il atteigne le bord supérieur de la couche de protection en silicium 14 ou meme la recouvre. On est ainsi assuré que l'électrode métallique 7 ne se corrode pas même dans des conditions de températures élevées telles que celles qui règnent pour
un brfûleur à vaporisation, ou sous l'influence de l'oxygène de l'air.
Le manchon de protection 9 présente une partie chambrée 15 dans laquelle on peut enfoncer un conducteur d'amenée 11. A titre d'exemple, la fixation peut être également réalisée au moyen d'un métal d'apport
de brasage fort.
Les positions de brasage ainsi réalisées conviennent non seulement à des éléments chauffants en carbure de silicium mais aussi à d'autres cas d'utilisation, par exemple pour des électrodes d'allumage ou des
électrodes de mesure d'ionisation.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Procédé de brasage d'une électrode métallique sur un élément en céramique en carbure de silicium électriquement conducteur, en particulier un élément chauffant, au moyen de silicium qui est rendu liquide par une opération de chauffage, caractérisé en ce qu'on ne réalise qu'un chauffage partiel de l'élément en céramique, auquel il
est mis fin peu après la fusion du silicium.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le
chauffage partiel est réalisé au moyen d'une haute fréquence.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, selon lequel on brase sur l'électrode métallique sur une bride annulaire en carbure de silicium d'un élément en céramique en carbure de silicium en forme de tube ou de baton, caractérisé en ce que le chauffage est limité à la
région de la bride annulaire.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour réaliser le chauffage, on dispose sur la bride annulaire une bobine à haute fréquence dont la longueur axiale correspond approximativement à
celle de la bride annulaire.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que le silicium est amené dans la région o a lieu le
brasage avant l'opération de chauffage.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé-en ce que le silicium est amené sous forme de poudre.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que le silicium est amené sous forme de pâte.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que on prévoit dans la partie en céramique un trou dans lequel on introduit l'électrode, on dépose le silicium sur la surface de la partie en céramique, dans la région de la sortie de l'électrode, et on réalise ensuite le chauffage de manière que le silicium fondu pénètre dans l'interstice compris entre le trou et l'électrode.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la partie de l'électrode qui fait saillie hors du trou est recouverte au moins partiellement d'un manchon de protection résistant à la corrosion.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce que le brasage est réalisé dans un gaz de protection.
11. Elément de céramique en carbure de silicium réalisé au moyen
du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant
une électrode métallique brasée au moyen de silicium, caractérisé en ce que l'électrode métallique (5, 7) est munie d'une couche de protection anti-corrosion (8, 9) au moins sur la plus grande partie de sa surface
se trouvant à l'extérieur de la position de brasage.
12. Elément en céramique selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'électrode est constituée sous forme d'une tige, est introduite dans un trou (4, 6) de l'élément en céramique (2, 3) et fixée encet endroit au moyen de silicium, et en ce que la partie de l'électrode qui fait saillie vers l'extérieur est recouverte d'un manchon de protection
(8, 9).
13. Elément en céramique selon la revendication 12, caractérisé en ce que la section de la surface de l'électrode (5, 7) comprise entre l'élément en céramique (2, 3) et le manchon de protection (9) est munie
d'une couche de protection (14) en silicium.
14. Elément en céramique selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le manchon de protection (8, 9) est constitué en
acier inoxydable.
15. Elément en céramique selon l'une quelconque des revendications
12 à 14, caractérisé en ce que le manchon de protection (8, 9) est fixé
au moyen d'un métal d'apport de brasage fort.
16. Elément en céramique selon l'une quelconque des revendications
11 à 15, caractérisé en ce que la couche de protection (8, 9) s'étend axialement au-dessus de l'électrode (5, 7) et reçoit le conducteur
d'amenée (10, 11).
17. Elément en céramique selon la revendication 16, caractérisé en ce que le conducteur d'amenée (10, 11) est fixé à la couche de
protection (8, 9) au moyen d'un métal d'apport de brasage fort.
FR8507782A 1984-05-23 1985-05-23 Procede pour braser une electrode metallique sur un element en ceramique en carbure de silicium electriquement conducteur et element en ceramique en carbure de silicium realise selon le procede Pending FR2564827A1 (fr)

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