FR3060612A1 - METHOD FOR MANUFACTURING COMPLEX GEOMETRY OBJECTS - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un objet comportant les étapes suivantes : • fournir un premier matériau apte à croître de façon cristalline, • fournir une poudre comportant le premier matériau, • fournir un liant organique, • mélanger (S1) la poudre et le liant organique de sorte à former un mélange maître, • fabriquer (S2, S3) une préforme à partir du mélange maître, la préforme étant une homothétie de l'objet à fabriquer dont les dimensions sont inférieures ou égales à celles de l'objet, • éliminer (S4) le liant organique de la préforme, • réaliser une croissance cristalline (S5, S6) de premier matériau au moins à l'intérieur de la préforme au moyen d'un précurseur du premier matériau, de sorte à réaliser l'objet. La densification de la préforme peut être réalisée par dépôt chimique en phase vapeur (S5), ou par synthèse haute pression haute température (S6).The invention relates to a method of manufacturing an object comprising the following steps: • providing a first material able to grow crystalline, • providing a powder comprising the first material, • providing an organic binder, • mixing (S1) the powder and the organic binder so as to form a masterbatch, • manufacture (S2, S3) a preform from the masterbatch, the preform being a homothety of the object to be manufactured whose dimensions are less than or equal to those of the object, • removing (S4) the organic binder from the preform, • achieving crystal growth (S5, S6) of first material at least inside the preform by means of a precursor of the first material, so as to realize the object. The densification of the preform can be carried out by chemical vapor deposition (S5), or high temperature high pressure synthesis (S6).
Description
Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public.Holder (s): COMMISSIONER OF ATOMIC ENERGY AND ALTERNATIVE ENERGIES Public establishment.
Demande(s) d’extensionExtension request (s)
Mandataire(s) : CABINET HECKE Société anonyme.Agent (s): CABINET HECKE Société anonyme.
Pty PROCEDE DE FABRICATION D'OBJETS A GEOMETRIE COMPLEXE.Pty PROCESS FOR MANUFACTURING OBJECTS WITH COMPLEX GEOMETRY.
FR 3 060 612 - A1FR 3 060 612 - A1
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un objet comportant les étapes suivantes:The invention relates to a method of manufacturing an object comprising the following steps:
fournir un premier matériau apte à croître de façon cristalline, fournir une poudre comportant le premier matériau, fournir un liant organique, mélanger (S1 ) la poudre et le liant organique de sorte à former un mélange maître, fabriquer (S2, S3) une préforme à partir du mélange maître, la préforme étant une homothétie de l'objet à fabriquer dont les dimensions sont inférieures ou égales à celles de l'objet, éliminer (S4) le liant organique de la préforme, réaliser une croissance cristalline (S5, S6) de premier matériau au moins à l'intérieur de la préforme au moyen d'un précurseur du premier matériau, de sorte à réaliser l'objet.provide a first material capable of growing in a crystalline manner, provide a powder comprising the first material, provide an organic binder, mix (S1) the powder and the organic binder so as to form a masterbatch, manufacture (S2, S3) a preform starting from the masterbatch, the preform being a homothety of the object to be manufactured whose dimensions are less than or equal to those of the object, removing (S4) the organic binder from the preform, achieving crystal growth (S5, S6 ) of first material at least inside the preform by means of a precursor of the first material, so as to produce the object.
La densification de la préforme peut être réalisée par dépôt chimique en phase vapeur (S5), ou par synthèse haute pression haute température (S6).The preform can be densified by chemical vapor deposition (S5), or by high temperature high pressure synthesis (S6).
Procédé de fabrication d’objets à géométrie complexeMethod for manufacturing objects with complex geometry
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
L’invention est relative à un procédé de fabrication d’objets à géométrie complexe.The invention relates to a method for manufacturing objects with complex geometry.
État de la techniqueState of the art
Pour réaliser des objets de taille microscopique, par exemple des objets en diamant, deux techniques sont principalement utilisées.To make objects of microscopic size, for example diamond objects, two techniques are mainly used.
L’une d’entre elle est appelée Synthèse Haute Pression Haute Température (HPHT ou « High Pressure High Température synthesis » en anglais). Il s’agit de faire croître l’objet sur un germe en présence ou non d’un catalyseur, en soumettant l’ensemble à une température et une pression élevées. Cette méthode permet par exemple de réaliser des diamants synthétiques monocristallins, mais présentant des impuretés dues au matériau catalyseur et/ou à une pollution gazeuse.One of them is called High Pressure High Temperature Synthesis (HPHT or "High Pressure High Temperature synthesis" in English). It is a question of growing the object on a germ in the presence or not of a catalyst, by subjecting the whole to a high temperature and pressure. This method makes it possible, for example, to produce monocrystalline synthetic diamonds, but having impurities due to the catalyst material and / or to gas pollution.
Une autre alternative est de réaliser un dépôt chimique en phase vapeur (CVD ou « Chemical Vapor Déposition »). Ici un substrat de même nature chimique que l’objet à fabriquer, par exemple en diamant, est placé dans une enceinte sous vide. Des gaz précurseurs sont ensuite introduits dans l’enceinte, et l’ensemble peut être ionisé au moyen d’une décharge microondes afin de créer un plasma. Les espèces issues du plasma s’adsorbent petit à petit sur le substrat et forment l’objet. Cette méthode permet de réaliser des diamants synthétiques monocristallins ou polycristallins très purs.Another alternative is to carry out a chemical vapor deposition (CVD or “Chemical Vapor Deposition”). Here a substrate of the same chemical nature as the object to be produced, for example in diamond, is placed in a vacuum enclosure. Precursor gases are then introduced into the enclosure, and the assembly can be ionized by means of microwave discharge in order to create a plasma. The species from the plasma gradually adsorb on the substrate and form the object. This method allows the production of very pure monocrystalline or polycrystalline synthetic diamonds.
Ces deux méthodes permettent la réalisation d’objets de formes très simples, 5 et dont la taille caractéristique est généralement comprise entre 0.05 et 500 pm, mais peut atteindre quelques centimètres.These two methods allow the realization of objects of very simple shapes, 5 and whose characteristic size is generally between 0.05 and 500 pm, but can reach a few centimeters.
Objet de l'inventionSubject of the invention
Un objet de l’invention est de permettre la réalisation d’objets non métalliques de formes complexes, et par exemple d’objets en carbone diamant.An object of the invention is to allow the production of non-metallic objects of complex shapes, and for example of carbon diamond objects.
Pour cela, le procédé comporte les étapes suivantes :To do this, the process includes the following steps:
• fournir un premier matériau non métallique apte à croître de façon cristalline, • fournir une poudre comportant le premier matériau, • fournir un liant organique, • mélanger la poudre et le liant organique de sorte à former un mélange maître, • fabriquer une préforme à partir du mélange maître, la préforme étant une homothétie de l’objet à fabriquer dont les dimensions sont inférieures ou égales à celles de l’objet, • éliminer le liant organique de la préforme, • réaliser une croissance cristalline de premier matériau au moins à l’intérieur de la préforme au moyen d’un précurseur du premier matériau, de sorte à réaliser l’objet.• providing a first non-metallic material capable of growing in a crystalline manner, • providing a powder comprising the first material, • providing an organic binder, • mixing the powder and the organic binder so as to form a masterbatch, • manufacturing a preform for starting from the masterbatch, the preform being a homothety of the object to be manufactured whose dimensions are less than or equal to those of the object, • removing the organic binder from the preform, • achieving a crystalline growth of the first material at least at the interior of the preform by means of a precursor of the first material, so as to produce the object.
Selon un aspect de l’invention, la croissance cristalline peut être réalisée par dépôt chimique en phase vapeur. Elle peut également être réalisée par synthèse haute pression haute température.According to one aspect of the invention, crystal growth can be achieved by chemical vapor deposition. It can also be carried out by high pressure high temperature synthesis.
Ce procédé présente l’avantage de permettre la réalisation d’objets macroscopiques de géométrie complexe sans effectuer de reprise d’usinage.This method has the advantage of allowing macroscopic objects of complex geometry to be produced without resuming machining.
Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :Other advantages and characteristics will emerge more clearly from the description which follows of particular embodiments of the invention given by way of nonlimiting examples and represented in the appended drawings, in which:
- la figure 1 est un organigramme des étapes possibles du procédé.- Figure 1 is a flow diagram of the possible steps of the method.
- la figure 2 est un organigramme d’un mode de mise en oeuvre particulier du procédé.- Figure 2 is a flow diagram of a particular implementation of the method.
Description détailléedetailed description
La présente invention vise à mettre en œuvre un procédé permettant de réaliser un objet non métallique de forme complexe et de taille macroscopique, sans reprise d’usinage, et dans des matériaux très divers.The present invention aims to implement a method for making a non-metallic object of complex shape and macroscopic size, without resuming machining, and in very diverse materials.
A cet effet, le procédé comporte plusieurs étapes. Tout d’abord, dans une étape S1, un mélange dit « maître » (ou « feedstock » en anglais) est réalisé. Il s’agit de la matière première utilisée dans la fabrication d’une préforme de l’objet, encore appelée pièce « verte » ou « crue », et correspond à un mélange de poudre et de liant organique.To this end, the method comprises several stages. First, in a step S1, a so-called "master" (or "feedstock" in English) mixture is produced. It is the raw material used in the manufacture of a preform of the object, also called a "green" or "raw" part, and corresponds to a mixture of powder and organic binder.
La poudre est choisie en fonction du matériau dans lequel l’objet doit être réalisé. Elle comporte avantageusement un premier matériau non métallique qui correspondra au matériau de l’objet à l’issue de la mise en œuvre du procédé. D’autres matériaux peuvent éventuellement être présents dans la poudre, par exemple des matériaux dopants dont la concentration peut atteindre 1020 atomes/cm3.The powder is chosen according to the material in which the object is to be produced. It advantageously comprises a first non-metallic material which will correspond to the material of the object at the end of the implementation of the method. Other materials may possibly be present in the powder, for example doping materials whose concentration can reach 10 20 atoms / cm 3 .
Ce premier matériau non métallique a avantageusement la propriété de croître de façon cristalline, et peut par exemple être en carbone diamant, en nitrure de bore en phase cubique, en silicium, en nitrure de silicium, ou en carbure de silicium. Sa granulométrie peut être comprise entre 0.05 pm et 400 pm, mais est de préférence de l’ordre de 20 pm.This first non-metallic material advantageously has the property of growing in a crystalline manner, and can for example be of diamond carbon, of boron nitride in cubic phase, of silicon, of silicon nitride, or of silicon carbide. Its particle size can be between 0.05 pm and 400 pm, but is preferably of the order of 20 pm.
Le liant a quant à lui pour rôle principal de faciliter la mise en forme de la poudre, et comporte généralement un polymère permettant la bonne tenue mécanique de la préforme. Afin d’obtenir un mélange homogène de poudre et de liant, l’ensemble est chauffé afin que le liant soit à l’état liquide. L’ensemble est soumis à la fois à des contraintes thermiques et à des contraintes de cisaillement, et il est important que le liant soit choisi de sorte à adhérer à la poudre, à être chimiquement inerte et thermiquement stable même lorsqu’il est soumis à des contraintes de cisaillement. La température de dégradation du liant doit également être supérieure à la température à laquelle le mélange est chauffé pour former le mélange « maître ».The main role of the binder is to facilitate the shaping of the powder, and generally comprises a polymer allowing good mechanical strength of the preform. In order to obtain a homogeneous mixture of powder and binder, the whole is heated so that the binder is in the liquid state. The assembly is subjected both to thermal stresses and to shear stresses, and it is important that the binder is chosen so as to adhere to the powder, to be chemically inert and thermally stable even when it is subjected to shear stresses. The degradation temperature of the binder must also be higher than the temperature to which the mixture is heated to form the "master" mixture.
Le liant doit être faiblement visqueux pour faciliter la mise en forme de la préforme. Aussi, le liant peut avantageusement comporter un composant de faible viscosité pour faciliter l’injection dans le moule, et une petite quantité d’additifs tels que des dispersants, des lubrifiants ou des plastifiants. Une viscosité comprise entre 10'3 Pa.s et 500 Pa.s pour le liant peut être bien adaptée à la mise en forme de la préforme.The binder must be slightly viscous to facilitate the shaping of the preform. Also, the binder may advantageously include a component of low viscosity to facilitate injection into the mold, and a small amount of additives such as dispersants, lubricants or plasticizers. A viscosity of between 10 ' 3 Pa.s and 500 Pa.s for the binder can be well suited to the shaping of the preform.
Le liant doit également présenter de bonnes propriétés mécaniques et se solidifier rapidement lors d’une transition de phase liquide-solide, car dès que la préforme est réalisée, cette dernière est refroidie et le liant est solidifié.The binder must also have good mechanical properties and solidify rapidly during a liquid-solid phase transition, because as soon as the preform is produced, the latter is cooled and the binder is solidified.
Pour s’assurer de la tenue de la préforme lors des changements de température, le liant doit également présenter un faible coefficient de dilatation thermique. Celui peut être avantageusement compris entre 10'4 et 5*10-3 %/°C.To ensure that the preform is held during temperature changes, the binder must also have a low coefficient of thermal expansion. That can advantageously be between 10 ' 4 and 5 * 10-3% / ° C.
II est également préférable que le polymère employé pour former le liant ait un faible taux de cristallinité pour que le liant puisse être correctement retiré de la préforme après la solidification.It is also preferable that the polymer used to form the binder has a low degree of crystallinity so that the binder can be correctly removed from the preform after solidification.
Le choix du liant est déterminé en fonction du type de poudre avec lequel il doit être mélangé, du mode opératoire choisi pour réaliser l’objet, et de son prix. Le liant organique peut par exemple être un liant thermoplastique, polycétal, ou gélifiant.The choice of binder is determined according to the type of powder with which it should be mixed, the procedure chosen to achieve the object, and its price. The organic binder may for example be a thermoplastic, polyketal, or gelling binder.
Des exemples de formulation de liant utilisés pour former la préforme par injection du mélange maître dans un moule sont donnés à titre illustratif dans le tableau 1. Les valeurs données entre parenthèses correspondent aux pourcentages massiques de chaque composant présent dans le liant.Examples of binder formulation used to form the preform by injecting the masterbatch into a mold are given by way of illustration in Table 1. The values given in parentheses correspond to the mass percentages of each component present in the binder.
Les proportions de poudre et de liant formant le mélange maître doivent être judicieusement choisies pour que l’objet présente une bonne cohésion en fin de fabrication. Les caractéristiques de la poudre (nature chimique, taille, morphologie), ainsi que celles du liant (nature chimique, viscosité) sont des paramètres clefs qui doivent être pris en compte. Le taux de charge du mélange peut être préférentiellement compris entre 50 et 65% en volume, le taux de charge étant défini comme le rapport du volume de poudre sur le volume total de poudre et de liant.The proportions of powder and binder forming the masterbatch must be carefully chosen so that the object has good cohesion at the end of manufacture. The characteristics of the powder (chemical nature, size, morphology), as well as those of the binder (chemical nature, viscosity) are key parameters which must be taken into account. The loading rate of the mixture can preferably be between 50 and 65% by volume, the loading rate being defined as the ratio of the volume of powder to the total volume of powder and binder.
Pour fabriquer la préforme, plusieurs techniques sont possibles.Several techniques are possible for manufacturing the preform.
Lorsque l’objet à fabriquer a une forme très complexe, il peut être judicieux de réaliser au moins une partie de la préforme par impression 3D au moyen de la technique de stéréolithographie ou de microstéréolithographie. Il s’agit de l’étape S2. Dans ce cas, les proportions de poudre et de liant sont judicieusement choisies pour que chaque couche de matière déposée garde parfaitement sa structure et sa forme. L’emploi du polyoxyméthylène, du polyacétal ou de polyoléfine est préféré en tant que composant du liant lorsque ce mode opératoire est employé.When the object to be manufactured has a very complex shape, it may be wise to make at least part of the preform by 3D printing using the stereolithography or microstereolithography technique. This is step S2. In this case, the proportions of powder and binder are judiciously chosen so that each layer of deposited material perfectly retains its structure and shape. The use of polyoxymethylene, polyacetal or polyolefin is preferred as a component of the binder when this procedure is used.
Dans une étape S3 alternative, la préforme peut être réalisée au moins en partie par injection du mélange maître dans un moule (« Powder Injection Moulding » en anglais). L’injection peut être mise en œuvre sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, et peut par exemple atteindre une pression de 1,5 à 2 kbars.In an alternative step S3, the preform can be produced at least in part by injecting the masterbatch into a mold (“Powder Injection Molding”). The injection can be carried out under a pressure higher than atmospheric pressure, and can for example reach a pressure of 1.5 to 2 kbars.
Il est également envisageable d’utiliser l’impression 3D et le moulage par injection de façon complémentaire afin de réaliser la préforme.It is also possible to use 3D printing and injection molding in a complementary manner in order to produce the preform.
A l’issue de la fabrication de la préforme à partir du mélange maître, la préforme est une pièce dite « verte », dont les contours sont identiques à ceux de l’objet à fabriquer. La préforme est avantageusement une homothétie de l’objet à fabriquer, et ses dimensions sont inférieures ou égales à celles de l’objet. La méthode proposée ici permet par exemple de réaliser des objets environ 1% plus grands que les préformes dont ils sont issus.At the end of the manufacturing of the preform from the masterbatch, the preform is a part called "green", whose contours are identical to those of the object to be manufactured. The preform is advantageously a homothety of the object to be manufactured, and its dimensions are less than or equal to those of the object. The method proposed here makes it possible for example to produce objects approximately 1% larger than the preforms from which they come.
Il faut alors éliminer le liant présent dans le mélange maître afin de ne garder que le matériau constituant la poudre. Il s’agit d’une étape appelée déliantage, correspondant à l’étape S4. Celle-ci est délicate car l’élimination de l’un des constituants de la préforme ne doit pas pour autant provoquer de dégâts chimiques (carburation, oxydation) ou physiques (fissuration).It is then necessary to remove the binder present in the masterbatch in order to keep only the material constituting the powder. This is a step called debinding, corresponding to step S4. This is delicate because the elimination of one of the constituents of the preform must not however cause chemical (carburetion, oxidation) or physical (cracking) damage.
Selon la nature chimique du mélange maître, le déliantage peut être réalisé de façon chimique et/ou thermique. Lorsqu’un déliantage chimique est mis en œuvre, le liant peut être éliminé par exemple par catalyse ou par dissolution dans un solvant. Le déliantage thermique est une pyrolyse du liant. La durée d’un déliantage thermique est longue afin que le gradient de température auquel la préforme est soumise soit faible, ceci permettant de limiter l’apparition de fissures dans la préforme.Depending on the chemical nature of the masterbatch, debinding can be carried out chemically and / or thermally. When a chemical debinding is carried out, the binder can be removed for example by catalysis or by dissolution in a solvent. Thermal debinding is a pyrolysis of the binder. The duration of a thermal debinding is long so that the temperature gradient to which the preform is subjected is low, this making it possible to limit the appearance of cracks in the preform.
Le déliantage peut être réalisé sous atmosphère contrôlée afin d’éviter tout risque d’oxydation de la préforme. Par exemple, si le premier matériau est du carbone diamant, le déliantage thermique doit être réalisé sous une atmosphère dépourvue d’oxygène car le carbone diamant se dégrade chimiquement en carbone pur à une température supérieure à 500°C en présence d’oxygène.Debinding can be carried out under a controlled atmosphere in order to avoid any risk of oxidation of the preform. For example, if the first material is diamond carbon, thermal debinding must be carried out in an oxygen-free atmosphere because diamond carbon chemically degrades to pure carbon at a temperature above 500 ° C in the presence of oxygen.
Une fois le déliantage terminé, la pièce « verte » a la forme de l’objet final, et est constituée du matériau choisi pour l’objet final, mais sa densité n’est pas suffisante pour pouvoir être utilisée car le liant a été remplacé par des pores.Once the debinding is completed, the "green" part has the shape of the final object, and is made of the material chosen for the final object, but its density is not sufficient to be able to be used because the binder has been replaced. through pores.
Aussi, une étape de densification de la préforme doit être réalisée.Also, a step of densification of the preform must be carried out.
La densification peut être réalisée en éliminant les pores par réduction du volume de la pièce, et/ou en ajoutant de la matière dans les pores et autour de la pièce.Densification can be carried out by eliminating the pores by reducing the volume of the part, and / or by adding material in the pores and around the part.
En plasturgie ou en métallurgie, l’étape de densification est bien souvent réalisée par frittage. Cela consiste à provoquer la diffusion atomique à l’état solide des éléments chimiques constituant la pièce « verte », de sorte à créer des joints de grains, puis à fusionner les joints de grain afin d’éliminer partiellement ou totalement les porosités contenues dans la pièce. Au cours de l’étape de frittage, la forme de la pièce est conservée, mais son volume peut diminuer de 10 à 20%.In plastics or metallurgy, the densification step is often carried out by sintering. This consists of causing the atomic diffusion in the solid state of the chemical elements constituting the "green" part, so as to create grain boundaries, then to merge the grain boundaries in order to partially or totally eliminate the porosities contained in the room. During the sintering step, the shape of the part is retained, but its volume can decrease by 10 to 20%.
Certains matériaux peuvent perdre leur structure cristalline lors du frittage. Ce type de procédé ne peut donc pas toujours être utilisé.Some materials may lose their crystal structure during sintering. This type of process cannot therefore always be used.
L’invention prévoit donc de réaliser une croissance cristalline du premier matériau au moins à l’intérieur de la préforme, et éventuellement autour de la préforme en mettant la préforme en présence d’un précurseur du premier matériau. La croissance cristalline du premier matériau à l’intérieur de la préforme a pour effet de boucher les cavités présentes dans la préforme suite au déliantage, et donc de densifier la préforme. La densification correspond donc à une diminution du taux de porosité dans la préforme.The invention therefore provides for crystalline growth of the first material at least inside the preform, and possibly around the preform by placing the preform in the presence of a precursor of the first material. The crystal growth of the first material inside the preform has the effect of plugging the cavities present in the preform following debinding, and therefore of densifying the preform. Densification therefore corresponds to a reduction in the porosity rate in the preform.
La densification par croissance cristalline est particulièrement bien adaptée lorsque l’objet à fabriquer est en carbone diamant ou en nitrure de bore cubique, car la structure cristallographique de ces matériaux serait modifiée lors du frittage.Densification by crystal growth is particularly well suited when the object to be produced is made of diamond carbon or cubic boron nitride, since the crystallographic structure of these materials would be modified during sintering.
Pour réaliser la croissance cristalline, plusieurs techniques peuvent être utilisées. Celles-ci correspondent aux étapes S5 et S6.To achieve crystal growth, several techniques can be used. These correspond to steps S5 and S6.
La première technique consiste à réaliser un dépôt chimique en phase vapeur (CVD ou « Chemical Vapor Déposition » en anglais). Il s’agit de l’étape S5.La préforme est placée dans un réacteur et est mise en présence d’un précurseur du premier matériau qui est ici un gaz. Le choix du gaz précurseur employé, et des conditions de température et de pression dépendent du matériau de la préforme et du matériau qui doit être déposé dans et sur la préforme. A l’issue du dépôt CVD, l’objet densifié est extrait du réacteur dans une étape S7.The first technique consists in carrying out a chemical vapor deposition (CVD or “Chemical Vapor Deposition” in English). This is step S5. The preform is placed in a reactor and is placed in the presence of a precursor of the first material which is here a gas. The choice of precursor gas used, and the temperature and pressure conditions depend on the material of the preform and the material which must be deposited in and on the preform. After the CVD deposit, the densified object is extracted from the reactor in an S7 step.
Dans le cas particulier de la densification d’une préforme en carbone diamant, la pièce peut être placée dans une enceinte contenant un gaz précurseur tel que du CH4, du CH3, ou du C2H6. La pression à l’intérieur de l’enceinte peut avantageusement être comprise entre 0,01 mbar et 300 mbar. Lorsque le dépôt CVD est assisté par un plasma (PECVD ou « Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition » en anglais), la température à l’intérieur de l’enceinte peut être comprise entre 100°C et 300°C. En revanche dans le cas où la préforme est chauffée pour obtenir l’énergie d’activation nécessaire au démarrage de la réaction chimique (CVD thermique), la température à l’intérieur de l’enceinte peut être comprise entre 700°C et 1200°C.In the specific case of densification of a diamond carbon preform, the part can be placed in an enclosure containing a precursor gas such as CH 4 , CH 3 , or C 2 H 6 . The pressure inside the enclosure can advantageously be between 0.01 mbar and 300 mbar. When the CVD deposition is assisted by a plasma (PECVD or “Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition” in English), the temperature inside the enclosure can be between 100 ° C and 300 ° C. On the other hand, in the case where the preform is heated to obtain the activation energy necessary to start the chemical reaction (thermal CVD), the temperature inside the enclosure can be between 700 ° C and 1200 ° vs.
Selon une alternative correspondant à l’étape S6, il est également possible de réaliser une croissance cristalline par synthèse Haute Pression Haute Température (HPHT ou « High Pressure High Température synthesis » en anglais). Cette technique est particulièrement intéressante car elle permet la réorganisation du réseau cristallin pour former par exemple un seul monocristal. Un catalyseur joue le rôle de précurseur du premier matériau pour réaliser la synthèse HPHT, et ce dernier a avantageusement une température de fusion inférieure à la température de fusion de la poudre.According to an alternative corresponding to step S6, it is also possible to achieve crystal growth by High Pressure High Temperature synthesis (HPHT or "High Pressure High Temperature synthesis" in English). This technique is particularly interesting because it allows the reorganization of the crystal lattice to form, for example, a single single crystal. A catalyst plays the role of precursor of the first material for carrying out the HPHT synthesis, and the latter advantageously has a melting temperature lower than the melting temperature of the powder.
Le précurseur est choisi en fonction du matériau de la préforme. Par exemple lorsque des objets en nitrure de bore cubique sont réalisés, des précurseurs de type lithium, magnésium et calcium peuvent être utilisés.The precursor is chosen according to the material of the preform. For example, when cubic boron nitride objects are produced, lithium, magnesium and calcium type precursors can be used.
Si la préforme est réalisée à partir d’une poudre de carbone diamant, le précurseur est choisi de sorte que sa température de fusion soit inférieure à 1500°C, qui correspond à la température à laquelle le diamant se transforme en graphite. Le précurseur peut être un alliage métallique choisi par exemple parmi le FeCo, le FeNi, le FeC, le NiC ou le CoC, car le carbone présente une bonne solubilité dans ces métaux.If the preform is made from a diamond carbon powder, the precursor is chosen so that its melting temperature is less than 1500 ° C, which corresponds to the temperature at which the diamond turns into graphite. The precursor can be a metal alloy chosen, for example, from FeCo, FeNi, FeC, NiC or CoC, since carbon has good solubility in these metals.
Pour améliorer la qualité de l’objet réalisé, le précurseur peut être disposé autour de la surface de la préforme qui doit être densifiée. Pour cela, la croissance cristalline par synthèse HPHT doit être précédée de plusieurs étapes.To improve the quality of the object produced, the precursor can be placed around the surface of the preform which must be densified. For this, crystal growth by HPHT synthesis must be preceded by several steps.
Dans une étape S6a, la préforme et le précurseur sont placés dans une enceinte et, dans une étape S6b l’ensemble est chauffé à une température supérieure à la température de fusion du précurseur, et inférieure à la température de fusion du matériau de la préforme. De cette façon, le précurseur fond et entoure la préforme, tandis que cette dernière garde sa structure. Dans une étape S6c, l’ensemble est refroidi à une température inférieure à la température de fusion du précurseur, afin que le précurseur et la préforme soient tous deux en phase solide. Cela permet de déplacer l’ensemble composé de la préforme et du précurseur dans une presse servant à la synthèse HPHT.In a step S6a, the preform and the precursor are placed in an enclosure and, in a step S6b, the assembly is heated to a temperature higher than the melting temperature of the precursor, and lower than the melting temperature of the material of the preform. . In this way, the precursor melts and surrounds the preform, while the latter retains its structure. In a step S6c, the assembly is cooled to a temperature below the melting temperature of the precursor, so that the precursor and the preform are both in solid phase. This allows to move the assembly consisting of the preform and the precursor in a press used for HPHT synthesis.
Selon une mise en œuvre particulière, l’enceinte peut être placée sous vide afin d’éviter toute pollution gazeuse dans le précurseur, qui pourrait conduire à la pollution gazeuse de la pièce lors de la synthèse HPHT.According to a particular implementation, the enclosure can be placed under vacuum in order to avoid any gas pollution in the precursor, which could lead to gas pollution of the part during the HPHT synthesis.
Après refroidissement du précurseur et de la préforme, l’ensemble est placé dans un four de synthèse pour effectuer la densification par synthèse HPHT selon l’étape S6. Le four doit être capable de supporter des pressions et température élevées, ces températures et pressions étant choisies en fonction des propriétés du matériau devant être déposé, et du précurseur employé.After the precursor and the preform have cooled, the assembly is placed in a synthesis oven to carry out densification by HPHT synthesis according to step S6. The furnace must be capable of withstanding high pressures and temperatures, these temperatures and pressures being chosen as a function of the properties of the material to be deposited, and of the precursor used.
La température et la pression sont avantageusement choisies de sorte que le précurseur passe à nouveau en phase liquide et que la préforme reste en phase solide.The temperature and the pressure are advantageously chosen so that the precursor again passes into the liquid phase and the preform remains in the solid phase.
Par ailleurs, étant donné que la préforme possède des cavités dans son volume avant densification, la pression appliquée durant la synthèse HPHT peut avantageusement être isobare, c’est-à-dire constante et uniforme. Cela permet d’éviter la déformation ou la casse de la préforme au cours de l’étape de densification.Furthermore, since the preform has cavities in its volume before densification, the pressure applied during HPHT synthesis can advantageously be isobaric, that is to say constant and uniform. This avoids deformation or breakage of the preform during the densification step.
Sous l’effet de la pression et de la température, le premier matériau pénètre dans la préforme et comble les cavités qui sont présentes. Plus la densité de la préforme et la viscosité du premier matériau sont faibles, plus le premier matériau peut s’insérer profondément dans la préforme.Under the effect of pressure and temperature, the first material enters the preform and fills the cavities that are present. The lower the density of the preform and the viscosity of the first material, the deeper the first material can be inserted into the preform.
Par exemple, dans le cas où l’objet à synthétiser est en carbone diamant, le carbone dissous dans le catalyseur se dépose de manière préférentielle à la surface des grains de la préforme, et préférentiellement dans les angles aigus des cavités de la préforme. Ainsi, le catalyseur est expulsé des cavités au fur et à mesure que leurs tailles diminuent.For example, in the case where the object to be synthesized is made of diamond carbon, the carbon dissolved in the catalyst is deposited preferentially on the surface of the grains of the preform, and preferably in the acute angles of the cavities of the preform. Thus, the catalyst is expelled from the cavities as their sizes decrease.
Au mieux, tous les pores présents dans la préforme peuvent être remplis de catalyseur. Aucune impureté résiduelle ne subsiste dans ce cas. En revanche si le catalyseur ne parvient pas à entrer suffisamment dans la préforme, des impuretés ou des pores subsistent. Le taux d’impuretés résiduelles présent après densification de la préforme est donc compris entre 0 et le taux d’impuretés présent dans la préforme avant densification.At best, all the pores present in the preform can be filled with catalyst. No residual impurity remains in this case. On the other hand, if the catalyst does not manage to enter the preform sufficiently, impurities or pores remain. The level of residual impurities present after densification of the preform is therefore between 0 and the level of impurities present in the preform before densification.
Pour consolider la préforme, une croissance cristalline de l’ordre de 1% ou inférieure à 1% est suffisante. La croissance cristalline dépend de la taille caractéristique des grains qui composent la poudre. Par exemple, s’ils ont une largeur caractéristique de 20 pm, la croissance cristalline autour de la préforme est d’au moins 20 pm. Cette poudre est donc bien adaptée pour réaliser des objets ayant une grandeur caractéristique de l’ordre du centimètre.To consolidate the preform, crystal growth in the order of 1% or less than 1% is sufficient. Crystal growth depends on the characteristic size of the grains that make up the powder. For example, if they have a characteristic width of 20 µm, the crystal growth around the preform is at least 20 µm. This powder is therefore well suited for making objects having a characteristic size of the order of a centimeter.
Pour un objet ayant une grandeur caractéristique de l’ordre de 10 pm, il est préférable d’utiliser une poudre ayant des grains de 0,1 pm, et de réaliser une croissance cristalline de 0,1 pm.For an object having a characteristic size of the order of 10 μm, it is preferable to use a powder having grains of 0.1 μm, and to achieve a crystal growth of 0.1 μm.
Dans le cas particulier de la formation d’un objet en carbone diamant, la synthèse HPHT peut être effectuée à une température comprise entre 1300°C et 1800°C et à une pression comprise entre 50 kbar et 80 kbar pendant une durée corrélée à la vitesse de dépôt et à l’épaisseur désirée.In the particular case of the formation of a diamond carbon object, the HPHT synthesis can be carried out at a temperature between 1300 ° C and 1800 ° C and at a pressure between 50 kbar and 80 kbar for a period correlated to the deposition speed and the desired thickness.
Après la synthèse HPHT, la température et la pression diminuent de sorte à faire passer à nouveau le catalyseur en phase solide. L’ensemble comprenant le catalyseur et l’objet densifié est alors transféré dans un four afin de faire fondre à nouveau le catalyseur pour se séparer l’objet densifié du catalyseur. L’extraction de l’objet densifié correspond à l’étape S7.After the HPHT synthesis, the temperature and the pressure decrease so as to pass the catalyst again into the solid phase. The assembly comprising the catalyst and the densified object is then transferred to an oven in order to melt the catalyst again in order to separate the densified object from the catalyst. The extraction of the densified object corresponds to step S7.
Lorsqu’il s’agit de réaliser un objet en carbone diamant, cette opération est réalisée de préférence en présence d’un gaz neutre, par exemple de l’hélium ou de l’argon, afin d’éviter la dégradation du carbone diamant en carbone pur. Ce dernier s’oxyde en effet à des températures supérieures à 500°C.When it is a question of making a diamond carbon object, this operation is preferably carried out in the presence of a neutral gas, for example helium or argon, in order to avoid degradation of the diamond carbon in pure carbon. The latter oxidizes indeed at temperatures above 500 ° C.
Le fait de densifier la préforme par synthèse HPHT permet de modifier la structure cristalline de l’objet, ce qui a pour effet d’améliorer de manière notable sa conductivité thermique. La réalisation d’un objet monocristallin à partir d’une préforme polycristalline est donc envisageable en utilisant la synthèse HPHT.Densifying the preform by HPHT synthesis makes it possible to modify the crystal structure of the object, which has the effect of significantly improving its thermal conductivity. The production of a monocrystalline object from a polycrystalline preform can therefore be envisaged using HPHT synthesis.
Quelle que soit la méthode de densification employée (CVD ou HPHT), la croissance cristalline du premier matériau peut également être réalisée sur les parois externes de la préforme après densification de l’intérieur de la préforme. De cette façon, l’objet final correspond à un agrandissement de la préforme. L’épaisseur de la couche en premier matériau déposée sur la préforme peut par exemple être comprise entre 0,1 et 10 pm.Whatever the densification method used (CVD or HPHT), the crystal growth of the first material can also be carried out on the external walls of the preform after densification of the interior of the preform. In this way, the final object corresponds to an enlargement of the preform. The thickness of the layer of first material deposited on the preform can for example be between 0.1 and 10 μm.
Grâce aux deux techniques de croissance cristalline qui viennent d’être décrites, l’homme du métier peut donc réaliser des objets de géométrie complexe et de taille macroscopiques sans effectuer de reprise d’usinage.Thanks to the two crystal growth techniques which have just been described, a person skilled in the art can therefore produce objects of complex geometry and macroscopic size without resuming machining.
L’utilisation de la synthèse HPHT dans l’invention peut par exemple présenter un grand intérêt pour réaliser des échangeurs thermiques à la fois monocristallins et ayant une géométrie complexe. Le fait que l’objet soit monocristallin permet d’avoir une conductivité thermique environ cinq fois plus grande que celle d’un échangeur thermique classique en cuivre. Si l’objet réalisé en diamant monocristallin mono-isotope, sa conductivité thermique peut être de l’ordre de 2000 W/m.K, voire atteindre 3000 W/m.K.The use of HPHT synthesis in the invention can, for example, be of great interest for producing heat exchangers which are both monocrystalline and have a complex geometry. The fact that the object is monocrystalline makes it possible to have a thermal conductivity about five times greater than that of a conventional copper heat exchanger. If the object produced in mono-isotope monocrystalline diamond, its thermal conductivity can be of the order of 2000 W / m.K, or even reach 3000 W / m.K.
L’utilisation de la méthode CVD est très utile pour fabriquer des objets plus grands et à moindre coût par rapport à la synthèse HPHT. Il est par exemple possible de réaliser des têtes de foreuses de géométrie complexe en carbone diamant polycristallin. Cela limite le risque de clivage qui est un phénomène courant dans le domaine des forages.Using the CVD method is very useful for making larger objects at lower cost compared to HPHT synthesis. It is for example possible to produce drilling heads of complex geometry in polycrystalline diamond carbon. This limits the risk of cleavage which is a common phenomenon in the field of drilling.
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