FR3068272B1 - Procede de fabrication de pastilles de materiau fritte, notamment en carbure de bore - Google Patents

Procede de fabrication de pastilles de materiau fritte, notamment en carbure de bore Download PDF

Info

Publication number
FR3068272B1
FR3068272B1 FR1756103A FR1756103A FR3068272B1 FR 3068272 B1 FR3068272 B1 FR 3068272B1 FR 1756103 A FR1756103 A FR 1756103A FR 1756103 A FR1756103 A FR 1756103A FR 3068272 B1 FR3068272 B1 FR 3068272B1
Authority
FR
France
Prior art keywords
sintered
matrix
threshold
cavities
compacts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
FR1756103A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3068272A1 (fr
Inventor
Aurelien Jankowiak
Nicolas Lochet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to FR1756103A priority Critical patent/FR3068272B1/fr
Priority to PCT/FR2018/051591 priority patent/WO2019002777A1/fr
Priority to US16/626,808 priority patent/US20200115236A1/en
Priority to JP2019572205A priority patent/JP2020525392A/ja
Priority to EP18762346.7A priority patent/EP3625192A1/fr
Publication of FR3068272A1 publication Critical patent/FR3068272A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3068272B1 publication Critical patent/FR3068272B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • C04B35/645Pressure sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90Carbides
    • C01B32/914Carbides of single elements
    • C01B32/991Boron carbide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28BSHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B13/00Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles; Discharging shaped articles from such moulds or apparatus
    • B28B13/02Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles
    • B28B13/0205Feeding the unshaped material to moulds or apparatus for producing shaped articles supplied to the moulding device in form of a coherent mass of material, e.g. a lump or an already partially preshaped tablet, pastil or the like
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28BSHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B3/00Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor
    • B28B3/02Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor wherein a ram exerts pressure on the material in a moulding space; Ram heads of special form
    • B28B3/025Hot pressing, e.g. of ceramic materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28BSHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B3/00Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor
    • B28B3/02Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor wherein a ram exerts pressure on the material in a moulding space; Ram heads of special form
    • B28B3/04Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor wherein a ram exerts pressure on the material in a moulding space; Ram heads of special form with one ram per mould
    • B28B3/06Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor wherein a ram exerts pressure on the material in a moulding space; Ram heads of special form with one ram per mould with two or more ram and mould sets
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/563Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on boron carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/604Pressing at temperatures other than sintering temperatures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562Heating rate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567Treatment time
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/666Applying a current during sintering, e.g. plasma sintering [SPS], electrical resistance heating or pulse electric current sintering [PECS]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/77Density
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • C04B2235/9623Ceramic setters properties

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Press-Shaping Or Shaping Using Conveyers (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de pastilles de matériau fritté, comprenant les étapes successives suivantes : a) formation de pré-compacts calibrés par une première compaction uniaxiale sur des portions, de masses égales, du matériau sous forme pulvérulente, cette première compaction étant réalisée à un premier seuil situé en dessous du seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent ; b) fourniture d'un outillage de compression comportant une matrice ayant une pluralité de cavités et des pistons de compression destinés à coulisser dans les cavités ; c) mise en place des pré-compacts dans les cavités de la matrice, des premier et deuxième disques en nitrure de bore fritté d'épaisseur millimétrique et de densité supérieure ou égale à 90% étant respectivement disposés dans chaque cavité à une première et à une deuxième extrémité de chaque pré-compact ; d) formation de compacts calibrés par une deuxième compaction uniaxiale sur les pré-compacts, cette deuxième compaction étant réalisée dans la matrice au moyen des pistons de compression à un deuxième seuil, supérieur au premier seuil, qui est inférieur ou égal au seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent ; e) formation de compacts frittés par mise sous charge et sous courant pulsé de l'outillage de compression, de manière à induire une montée rapide en température selon un cycle de frittage SPS régulé en température, en pression et en durée ; f) extraction des compacts frittés hors de la matrice.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION DE PASTILLES DE MATÉRIAU FRITTÉ, NOTAMMENT EN CARBURE DE BORE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui de la fabrication d'éléments en matériau fritté de haute densité, et notamment des éléments céramiques en carbure de bore (B4C).
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les matériaux élaborés par frittage de poudres peuvent contenir un taux résiduel de porosité. La densité réelle du matériau fritté est alors inférieure à sa densité théorique.
On rappelle que la densité théorique (ou densité cristallographique) correspond à la densité du monocristal et peut se calculer à partir de la composition chimique et de la structure cristalline. La densité relative (ou densité réelle), exprimée en pourcentage de la densité théorique, inclut la porosité, les défauts du réseau cristallographique et les phases secondaires.
Or, pour certaines applications, il peut être nécessaire d'obtenir des matériaux frittés ayant une densité élevée. Certaines méthodes de frittage, qui ne permettraient pas d'obtenir la densité adéquate, peuvent donc ne pas convenir. C'est par exemple le cas du carbure de bore (B4C) destiné à un usage nucléaire, qui est principalement mis en œuvre comme absorbant neutronique dans les réacteurs nucléaires. Il est généralement sous la forme de pastilles cylindriques, obtenues par frittage d'une poudre de B4C, qui peut être enrichie en 10B. Les pastilles de B4C pour un usage nucléaire doivent présenter une densité relative d'au moins 96% et une porosité essentiellement fermée, afin d'éviter le piégeage éventuel de sodium.
Ces pastilles de B4C pour un usage nucléaire ont jusqu'à présent été réalisées industriellement par frittage sous charge de type HP (pour « Hot Pressing » en anglais) au moyen de matrices multi-empreintes (c'est-à-dire des matrices comportant plusieurs cavités de moulage). A titre d'exemple, le frittage HP a notamment été utilisé pour la réalisation de pastilles en carbure de bore pour les réacteurs nucléaires PHENIX et SUPERPHENIX. L'utilisation de la méthode HP permet d'atteindre la densité relative minimale requise de 96%, mais avec peu de marge, ce qui peut amener à un taux de non-conformité significatif et coûteux (surtout si le B4C est enrichi en 10B) et à la présence de porosité ouverte. En outre, en raison de cycles thermiques longs, la microstructure des matériaux frittés obtenus par frittage HP peut évoluer, et notamment la taille de grains, ce qui peut conduire à une diminution des performances mécaniques du matériau fritté en comparaison de matériaux à microstructure plus fine.
Parmi les autres techniques connues de frittage, on connaît le frittage SPS (pour « Spark Plasma Sintering » en anglais).
La principale différence entre la méthode de frittage HP et la méthode de frittage SPS réside dans la manière de chauffer le compact de poudre. Au cours d'un frittage HP, le chauffage est indirect : il se fait par le biais des résistances internes du four. L'échantillon est chauffé par conduction thermique de la matrice de pressage vers le compact de poudre. Au cours d'un frittage SPS, le chauffage est direct : un courant électrique pulsé passe à travers l'outillage de compression (matrice et pistons) et/ou le compact de poudre à fritter, assurant alors le chauffage par effet Joule et par conduction thermique. A partir de poudres identiques, le frittage SPS permet d'obtenir des matériaux plus denses et des microstructures plus fines qu'avec un frittage HP. Ce dernier point est dû à la réduction des temps de cycles de frittage et à la réduction de la durée du palier en température dans le frittage SPS par rapport au frittage HP.
Le frittage SPS offre donc la possibilité d'optimiser les microstructures du matériau fritté, tout en réduisant significativement les temps de cycles par rapport au frittage HP. Cependant, pour les hautes températures (c'est-à-dire des températures supérieures à 1200°C), le frittage SPS est principalement réalisé au moyen d'une matrice mono-empreinte, qui permet la fabrication unitaire de pastille ou de galette, et n'est donc pas adapté à une fabrication à l'échelle industrielle.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Les inventeurs se sont fixé comme objectif de réaliser de manière simple, rapide et efficace des matériaux frittés présentant une microstructure plus fine et une densité plus élevée que ceux produits par la méthode HP, conduisant à une diminution de la présence d'une porosité ouverte, voire à sa suppression et à une amélioration des propriétés mécanique du matériau fritté. Ce dernier point est particulièrement important dans le cas des pastilles de B4C destinées à un usage nucléaire, car une amélioration des propriétés mécaniques du matériau permettrait d'offrir une meilleure résistance au gradient thermique en réacteur, une mauvaise résistance constituant la principale cause de dégradation mécanique du matériau fritté en fonctionnement.
Pour ce faire, les inventeurs ont retenu la méthode SPS, en y apportant des améliorations. En effet, comme nous venons de le voir, la méthode SPS permet une fabrication de pièce à l'unité (outillage mono-empreinte), ce qui est incompatible avec une fabrication industrielle en grande série. Contrairement au frittage HP, où l'usage de matrices multi-empreintes se fait couramment et facilement car le chauffage est réalisé par un élément chauffant périphérique, en frittage SPS, ce type d'outillage existe mais nécessite, dans le cas de notre application à hautes températures, des adaptions du procédé. Les premiers essais conduits en laboratoire, sans ces adaptions et avec des matrices multi-empreintes classiques de type HP, ont d'ailleurs montré la présence d'hétérogénéités de densité et de microstructure dans les pastilles de matériau fritté, avec formation locale de cratères dus au passage du courant. L'invention concerne donc un procédé de fabrication de pastilles de matériau fritté, comprenant les étapes successives suivantes : a) formation de pré-compacts calibrés par une première compaction uniaxiale sur des portions, de masses égales, du matériau sous forme pulvérulente, cette première compaction étant réalisée à un premier seuil situé en dessous du seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent ; b) fourniture d'un outillage de compression (que l'on peut également nommer outillage de compaction ou de pressage) comportant une matrice ayant une pluralité de cavités et des pistons destinés à coulisser dans les cavités ; c) mise en place des pré-compacts dans les cavités de la matrice, des premier et deuxième disques en nitrure de bore fritté d'épaisseur millimétrique et de densité supérieure ou égale à 90% étant respectivement disposés dans chaque cavité à une première et à une deuxième extrémité de chaque pré-compact ; d) formation de compacts calibrés par une deuxième compaction uniaxiale sur les pré-compacts, cette deuxième compaction étant réalisée dans la matrice au moyen des pistons de compression à un deuxième seuil, supérieur au premier seuil, qui est inférieur ou égal au seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent ; e) formation de compacts frittés par mise sous charge et sous courant pulsé de l'outillage de compression, de manière à induire une montée rapide en température selon un cycle de frittage SRS régulé en température, en pression et en durée ; f) extraction des compacts frittés hors de la matrice.
La première et la deuxième compaction sont obtenues par l'application d'une force uniaxiale.
Le seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent est la densité maximale que peut atteindre une poudre sous l'effet d'une pression qu'on lui applique.
De préférence, les premier et deuxième disques en nitrure de bore fritté ont une pureté supérieure ou égale à 99,7 %.
De préférence, les cavités de la matrice sont réparties de façon symétrique et à égale distance de la périphérie. Dans le cas d'une matrice ayant une forme extérieure cylindrique, les cavités peuvent par exemple être disposées sur un cercle 13 centré sur l'axe du cylindre, à égales distances les unes des autres, comme illustré dans la figure lb, où la matrice comporte quatre cavités. Cette configuration permet une meilleure homogénéité de température.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé comprend en outre, entre l'étape b) et l'étape c), une étape de recouvrement, par un film de graphite, d'une paroi interne de chaque cavité destinée à être en contact avec les précompacts, ainsi que d'une face de contact des pistons destinée à être en contact avec l'un des premier et deuxième disques en nitrure de bore. Le film de graphite empêche la pollution des cavités de la matrice et facilite le démoulage des compacts frittés. Il peut par exemple s'agir d'une feuille ou d'un disque en graphite vendu sous la dénomination commerciale Papyex™ par la société MERSEN.
Avantageusement, le procédé comprend en outre, entre l'étape b) et l'étape c), une autre étape de recouvrement, par un film de graphite, des interfaces entre les pré-compacts et les premiers disques en nitrure de bore, et des interfaces entre les pré-compacts et les deuxièmes disques en nitrure de bore. Le film de graphite peut être un disque en graphite Papyex™ ; il permet de limiter une éventuelle adhésion du nitrure de bore des premier et deuxième disques à la surface des pastilles frittées.
De préférence, le matériau fritté est du carbure de bore (B4C).
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure la est une représentation schématique d'un exemple de piston et d'une matrice de compression comportant quatre cavités selon une vue en perspective ; - la figure lb est une représentation schématique de la matrice de compression de la figure la, selon une vue de dessus ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un outillage de compression prêt à être inséré dans une enceinte d'un dispositif SPS ; - la figure 3 représente une vue en coupe partielle d'un exemple d'un dispositif de frittage SPS pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention.
Il est à noter que les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle dans les figures.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER
Le procédé selon l'invention permet de réaliser des pastilles de matériau fritté de haute densité par la méthode de frittage SPS dans une matrice multi-empreintes. Ce procédé est en particulier utile pour la fabrication à l'échelle industrielle de pastilles de B4C de haute densité pour un usage nucléaire. Ces pastilles de B4C de haute densité peuvent en particulier être utilisées comme absorbant neutronique, notamment dans les réacteurs de 4eme génération à neutrons rapides. L'usage d'une matrice multi-empreintes en frittage SPS nécessite une parfaite maîtrise du courant et notamment de son cheminement dans l'outillage de compression. En effet, une mauvaise répartition du courant va générer des points chauds et aboutir à la formation d'hétérogénéités au sein des matériaux frittés.
Afin de réaliser la fabrication de pastilles de matériau fritté de haute densité, notamment des pastilles de B4C, par le procédé selon l'invention, il est nécessaire de garantir deux points essentiels.
Tout d'abord, il faut garantir l'équilibrage de l'outillage de compression et l'ajustement des hauteurs de pistons.
Pour ce faire, on réalise des pré-compacts calibrés à partir de portions de poudre (de masses égales, pesées au moyen d'une balance de haute précision) par un premier pressage uniaxial à un premier seuil situé en dessous du seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent, puis on les introduit dans la matrice multi-empreintes. On réalise ensuite un second pressage uniaxial des pré-compacts à un deuxième seuil qui est supérieur au premier seuil et qui est proche de la densité maximale atteignable en cru par le matériau pulvérulent dans une matrice multi-empreintes. De préférence, le deuxième seuil est situé au plus proche (si possible égal) au seuil maximal de densité atteignable en cru par le matériau pulvérulent. Chacun des compacts calibrés présente ainsi un niveau de densité équivalent. Il est à noter que le premier pressage est de préférence effectué dans une matrice mono-empreinte, mais il pourrait tout à fait être réalisé dans la matrice multi-empreintes utilisée pour le second pressage.
Ainsi, l'outillage de compression est équilibré et la hauteur des pistons est constante. Cela permet l'application d'une pression équivalente (homogène) sur l'ensemble des pré-compacts lors de l'avancée des pistons au cours du traitement thermique de frittage SPS. Cela permet également d'assurer une répartition du courant la plus homogène possible et donc une distribution de la température plus uniforme, en particulier pour des outillages de compression volumineux. En outre, cette seconde compaction permet d'assurer le maintien de la matrice multi-empreintes sur les pistons inférieurs, sans que celle-ci ne glisse lorsqu'elle se trouve en position verticale. Les compacts appuient en effet sur les faces intérieures des cavités de la matrice multi-empreintes.
Il faut également éliminer le risque de points chauds et canaliser le courant nécessaire au frittage SPS en dehors des points d'appui entre les pistons et les pré-compacts.
Pour cela, on utilise des disques frittés de nitrure de bore (BN) ayant une épaisseur millimétrique (par exemple, 2,5 mm d'épaisseur) et de haute pureté (>99,7%). On peut par exemple utiliser des disques BN vendu sous la dénomination commerciale Combat® BN grade AX05 par la société Saint Gobain. Ces disques sont placés au-dessus et en dessous des pré-compacts dans les cavités de la matrice.
La présence de ces disques garantit l'absence de passage de courant des pistons vers les pré-compacts (pas de point chaud), y compris pour de très forts courants en raison de l'épaisseur significative des disques de BN en comparaison de celle d'un dépôt qui serait réalisé par pulvérisation d'une suspension. Le courant va en effet contourner les disques de nitrure de bore, les disques formant une couche électriquement isolante, y compris à très haute température.
La répartition du courant étant maîtrisée et homogène, la température des pré-compacts est plus homogène. Il en découle une meilleure homogénéité en termes de densité et de microstructure (taille de grains) dans tout le volume des pastilles.
Le caractère dense des disques assure leur tenue mécanique et une plus grande robustesse en comparaison des dépôts peu cohésifs réalisés par pulvérisation. L'épaisseur millimétrique des disques permet aux disques de résister aux températures de frittage SPS, c'est-à-dire des températures supérieures à 1000°C, pouvant avoisiner 2000°C sous atmosphère contrôlée.
Enfin, contrairement à un dépôt fin et poreux de nitrure de bore qui serait réalisé par pulvérisation, un disque dense et d'épaisseur millimétrique permet d'éviter une éventuelle pollution du compact, car il est beaucoup moins fragile.
Afin d'illustrer le procédé selon l'invention, nous allons à présent décrire un exemple de réalisation de pastilles de B4C haute densité.
Dans cet exemple de réalisation, nous avons utilisé, pour réaliser les pré-compacts 7, une matrice mono-empreinte en acier inoxydable, munie d'une cavité de moulage traversante, et deux pistons en acier inoxydable, destinés à coulisser dans la cavité de moulage pour venir compacter la poudre dans la cavité et ainsi former les précompacts 7. Pour réaliser les compacts calibrés, nous avons utilisé un outillage de compression en graphite, comprenant une matrice multi-empreintes 1 munie de quatre cavités de moulage 2 traversantes réparties de façon symétrique et circulaire au sein de la matrice, comme illustrée dans la figure lb, et huit pistons 3 (un seul piston étant représenté dans la figure la) destinés à coulisser dans les cavités 2 pour venir compacter les pré-compacts 7 dans les cavités et ainsi former des compacts calibrés de forme et dimensions souhaitées. Les pistons fonctionnent par paire et se déplacent en sens opposé l'un vers l'autre lors de la compression.
La cavité de la matrice mono-empreinte a un diamètre de 20 mm et les cavités de la matrice multi-empreintes 1 ont un diamètre de 20,4 mm, la différence permettant de tenir compte de l'épaisseur de 200 pm de Papyex™.
Dans notre exemple de réalisation, les quatre cavités de la matrice multi-empreintes ont une hauteur de 120 mm.
Une poudre de B4C de chez H. C. Starck de type grade HS a été utilisée comme matière première et a été pesée pour former quatre portions de même masse (en l'occurrence 15,60 g).
Pour réaliser les pré-compacts 7, une des portions de poudre a été introduite dans la cavité de la matrice de compression mono-empreinte en acier inoxydable et une première compaction uniaxiale à basse pression (<10 MPa) a été réalisée à une densité inférieure à la valeur maximale atteignable par la poudre, en l'occurrence 1 MPa pendant 1 minute. Ces opérations ont été répétées pour chacune des portions de poudre.
Les pré-compacts 7 ainsi obtenus sont ensuite extraits de la matrice mono-empreinte et stockés en attendant d'être utilisés par la suite.
Une feuille de Papyex™ 4 a été découpée aux dimensions internes de la paroi latérale interne de chacune des cavités de la matrice multi-empreintes 1 et a été placée sur cette paroi latérale interne dans chaque cavité.
Les quatre pistons 3 inférieurs sont insérés dans la partie inférieure des cavités et un disque de Papyex™ 6 de la même dimension que la tête du piston inférieur est placé dans le fond de chaque cavité.
On précise que les termes « inférieur » et « supérieur », « bas » et « haut », « dessus » et « dessous » se rapportent aux éléments tels que représentés dans la figure 2.
Puis on introduit un disque 5 inférieur de Combat® BN grade AX05 de 2,5 mm d'épaisseur dans chaque cavité.
Les quatre pré-compacts 7 sont introduits dans les cavités 2 de la matrice.
Selon une variante avantageuse de l'invention, on met en place un disque de Papyex™ 6 en bas et en haut des pré-compacts 7.
On introduit un disque 5 supérieur de BN de type AX05 de 2,5 mm d'épaisseur dans chaque cavité.
Et on place un disque de Papyex™ 6 de la même dimension que la tête du piston supérieur sur le disque supérieur de BN.
Les quatre pistons supérieurs sont insérés dans les cavités de manière à fermer les cavités.
On obtient ainsi les assemblages représentés dans la figure 2. Il est à noter que la matrice telle que représentée dans la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne AA de la figure la. Des plateaux 9 en graphite permettent de conduire le courant et de faire pression sur les pistons de manière homogène. Dans ce mode de réalisation, ces plateaux 9 comportent chacun quatre cavités cylindriques 10 usinées dans l'une de leurs faces. Ces cavités 10 ont ici un diamètre de 20,5 mm et une profondeur de 1 mm. Elles permettent aux pistons de venir s'y ancrer et assurent le maintien en place des plateaux.
On procède alors à une compaction uniaxiale à haute pression à un seuil proche de la densité maximale atteignable en cru par le matériau pulvérulent. En l'occurrence, on applique une pression de 50 MPa pendant 1 minute.
On procède ensuite au découpage d'un feutre 8 en matériau thermiquement isolant, par exemple un feutre en graphite, aux dimensions de la matrice et on le place au-dessus, en dessous et autour de la matrice afin de limiter le rayonnement thermique au cours du frittage SPS.
La matrice ainsi préparée est alors placée dans une enceinte d'un dispositif de frittage SPS 100 (figure 3) et l'enceinte 11 est mise sous vide. Dans la figure 3 est représenté un exemple de dispositif de frittage SPS 100 pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, ce dispositif comportant notamment une enceinte 11 et des moyens 12 permettant d'appliquer un courant et une charge (ou pression) à la matrice de compression 1. Il est à noter que, par souci de simplification, la matrice telle que représentée dans la figure 3 ne comporte que deux cavités et les feuilles et disques en Papyex™, ainsi que les disques en nitrure de bore n'ont pas été représentés.
Puis on procède au cycle de frittage SPS en appliquant simultanément une pression et un courant électrique pulsé pour élever la température des compacts jusqu'à une température de palier suffisante pour provoquer un frittage de la poudre des compacts.
En frittage SPS, la durée pendant laquelle est maintenue la température de palier est relativement courte et est généralement comprise entre quelques secondes à quelques minutes (généralement moins de 10 minutes).
De manière connue, la température de palier, la pression et la durée sont optimisées pour obtenir la densité souhaitée.
Dans notre exemple de réalisation, le frittage SPS a été réalisé à une pression de 20 MPa par piston, avec une montée en température de 50°C/min, une température de palier de 2000°C pendant une durée de 2 minutes, en appliquant un courant maximal de 5540 A.
La pression et la température sont ensuite abaissées et les quatre pastilles de compacts frittés sont extraites de la matrice.
Eventuellement, la surface des pastilles est rectifiée afin d'éliminer les traces de Papyex™ et de BN résiduels, par exemple par polissage à l'aide de papier abrasif, au moyen d'un disque diamantée ou d'une rectifieuse équipée d'un outillage diamant.
Les quatre pastilles ainsi obtenues présentent une densité relative moyenne mesurée par pesée hydrostatique de 99,33 % avec un écart type de 0,03%.
Le procédé objet de l'invention permet donc bien d'augmenter la densité relative du B4C après frittage par rapport au procédé Hot Pressing dans des conditions de température et de pression similaires. On rappelle que la densité relative pouvant être obtenue par le procédé HP est de l'ordre de 96%.
Il permet également d'affiner la microstructure du matériau fritté, ce qui, dans le cas du matériau B4C, permet d'augmenter la résistance mécanique du matériau fritté afin qu'il résiste mieux au gradient thermique en utilisation. En effet, un cycle de frittage SPS étant par définition très court, il n'entraîne que peu de grossissement de grains en comparaison d'un cycle de frittage HP.
Le procédé permet également d'augmenter la productivité par rapport à un frittage SPS classique du fait de l'utilisation d'un outillage multi-empreintes et de cycles de frittage courts.
Nous avons illustré le procédé objet de l'invention par la fabrication de pastilles de B4C, mais le procédé peut s'appliquer à la fabrication de tout élément en matériau fritté et est particulièrement utile pour les applications nécessitant l'obtention de matériau fritté de haute densité.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication de pastilles de matériau fritté, comprenant les étapes successives suivantes : a) formation de pré-compacts calibrés par une première compaction uniaxiale sur des portions, de masses égales, du matériau sous forme pulvérulente, cette première compaction étant réalisée à un premier seuil situé en dessous du seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent ; b) fourniture d'un outillage de compression comportant une matrice ayant une pluralité de cavités et des pistons de compression destinés à coulisser dans les cavités ; c) mise en place des pré-compacts dans les cavités de la matrice, des premier et deuxième disques en nitrure de bore fritté d'épaisseur millimétrique et de densité supérieure ou égale à 90% étant respectivement disposés dans chaque cavité à une première et à une deuxième extrémité de chaque pré-compact ; d) formation de compacts calibrés par une deuxième compaction uniaxiale sur les pré-compacts, cette deuxième compaction étant réalisée dans la matrice au moyen des pistons de compression à un deuxième seuil, supérieur au premier seuil, qui est inférieur ou égal au seuil maximal de densité en cru atteignable par le matériau pulvérulent ; e) formation de compacts frittés par mise sous charge et sous courant pulsé de l'outillage de compression, de manière à induire une montée rapide en température selon un cycle de frittage SRS régulé en température, en pression et en durée ; f) extraction des compacts frittés hors de la matrice.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, entre l'étape b) et l'étape c), une étape de recouvrement, par un film de graphite, d'une paroi interne de chaque cavité destinée à être en contact avec les pré-compacts, ainsi que d'une face de contact des pistons de compression destinée à être en contact avec l'un des premier et deuxième disques en nitrure de bore.
  3. 3. Procédé selon la revendication 3, comprenant en outre, entre l'étape b) et l'étape c), une autre étape de recouvrement, par un film de graphite, des interfaces entre les pré-compacts et les premiers disques en nitrure de bore et des interfaces entre les pré-compacts et les deuxièmes disques en nitrure de bore.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau fritté est du carbure de bore (B4C).
FR1756103A 2017-06-30 2017-06-30 Procede de fabrication de pastilles de materiau fritte, notamment en carbure de bore Active FR3068272B1 (fr)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1756103A FR3068272B1 (fr) 2017-06-30 2017-06-30 Procede de fabrication de pastilles de materiau fritte, notamment en carbure de bore
PCT/FR2018/051591 WO2019002777A1 (fr) 2017-06-30 2018-06-28 Procédé de fabrication de pastilles de matériau fritté, notamment en carbure de bore
US16/626,808 US20200115236A1 (en) 2017-06-30 2018-06-28 Method for the production of pellets of sintered material, such as boron carbide pellets
JP2019572205A JP2020525392A (ja) 2017-06-30 2018-06-28 炭化ホウ素ペレット等の焼結材料のペレットを生成するための方法
EP18762346.7A EP3625192A1 (fr) 2017-06-30 2018-06-28 Procédé de fabrication de pastilles de matériau fritté, notamment en carbure de bore

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1756103A FR3068272B1 (fr) 2017-06-30 2017-06-30 Procede de fabrication de pastilles de materiau fritte, notamment en carbure de bore
FR1756103 2017-06-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3068272A1 FR3068272A1 (fr) 2019-01-04
FR3068272B1 true FR3068272B1 (fr) 2019-08-30

Family

ID=60080952

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1756103A Active FR3068272B1 (fr) 2017-06-30 2017-06-30 Procede de fabrication de pastilles de materiau fritte, notamment en carbure de bore

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20200115236A1 (fr)
EP (1) EP3625192A1 (fr)
JP (1) JP2020525392A (fr)
FR (1) FR3068272B1 (fr)
WO (1) WO2019002777A1 (fr)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3702065A1 (fr) * 2019-02-28 2020-09-02 Siemens Aktiengesellschaft Dispositif de frittage pourvu de dispositif de pression de frittage et de dispositif de courant de frittage découplés l'un de l'autre, procédé de fabrication d'une matière de contact électrique à l'aide du dispositif de frittage, matière de contact électrique et utilisation de la matière de contact électrique
CN111438361B (zh) * 2020-04-30 2021-03-12 燕山大学 一种芯杆随动的放电烧结模具
CN112454978A (zh) * 2020-11-03 2021-03-09 湖南金诚工具有限公司 一种用于热压烧结的石墨模具
CN112453396A (zh) * 2020-12-31 2021-03-09 成都大学 一种制备生物医用钛合金的多腔烧结模具及烧结方法
CN113084161B (zh) * 2021-03-30 2023-04-14 博深股份有限公司 一种粉末冶金闸片通用烧结模具及使用方法
WO2023192444A1 (fr) * 2022-04-01 2023-10-05 Ats Ip, Llc Fabrication parallèle de frittage flash à empilements multiples
WO2024054857A1 (fr) * 2022-09-06 2024-03-14 Battelle Energy Alliance, Llc Procédés de formation d'articles frittés et ensembles et composants associés

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006018690A1 (de) * 2006-04-13 2007-10-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung von gesinterten Kompositbauteilen
WO2015019992A1 (fr) * 2013-08-05 2015-02-12 学校法人同志社 Céramique de carbure de bore et procédé de production associé

Also Published As

Publication number Publication date
FR3068272A1 (fr) 2019-01-04
US20200115236A1 (en) 2020-04-16
WO2019002777A1 (fr) 2019-01-03
EP3625192A1 (fr) 2020-03-25
JP2020525392A (ja) 2020-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FR3068272B1 (fr) Procede de fabrication de pastilles de materiau fritte, notamment en carbure de bore
EP2701892B2 (fr) Procédé de réalisation d&#39;un objet par solidification de poudre à l&#39;aide d&#39;un faisceau laser avec insertion d&#39;un organe d&#39;absorption de déformations
EP2066598B1 (fr) Procede d&#39;assemblage de pieces en ceramique refractaire par frittage a chaud avec champ electrique pulse (&#34; sps &#34;)
EP2691551B1 (fr) Procede de fabrication par frittage flash d&#39;une piece de forme complexe
EP2773475B1 (fr) Installation de fabrication de pièces par fusion sélective de poudre
EP3370902B1 (fr) Mise en oeuvre d&#39;une interface déformable pour la fabrication de pièces complexes
FR2593742A1 (fr) Moule pour la realisation de disques optiques
FR2991613A1 (fr) Procede de fabrication de piece par fusion selective ou frittage selectif de lits de poudre(s) au moyen d&#39;un faisceau de haute energie
EP1568424B1 (fr) Presse pour le maintien et le pressage d&#39;une pièce
FR3086567A1 (fr) Procede de realisation de contreforme et procede de fabrication de piece de forme complexe utilisant une telle contre-forme
JP2015016632A (ja) 円筒形成形型、並びに、円筒形セラミックス成形体およびその製造方法
EP2831943B1 (fr) Pocede de fabrication et d&#39; utilisation d&#39; un joint d&#39;etancheite preservant l&#39;integrite de cellules electrochimiques
EP3475012B1 (fr) Four de refroidissement par solidification dirigée et procédé de refroidissement utilisant un tel four
FR3021161A1 (fr) Procede de preparation d&#39;une rondelle thermoelectrique par frittage
FR3011379A1 (fr) Procede de preparation d&#39;un substrat de silicium recristallise a gros cristallites
CH711152B1 (fr) Procédé de production de pièces pour l&#39;horlogerie.
WO2020260785A1 (fr) Dispositif de fabrication additive et sa mise en oeuvre
FR2832736A1 (fr) Procede perfectionne de revetement d&#39;un support par un materiau
EP3774303B1 (fr) Outillage pour la mise en oeuvre d&#39;un procédé de frittage flash d&#39;une poudre d&#39;origine naturelle
EP3849730B1 (fr) Installation de fabrication additive perfectionnée
EP3181342B1 (fr) Outil de compression differentielle d&#39;un materiau poudreux, comprenant une membrane deformable
FR3038702A1 (fr) Outillage destine a supporter une preforme en poudre pendant un traitement thermique
EP4086071A1 (fr) Chambre de compression pour presse et presse comportant une telle chambre
WO2024105339A1 (fr) Dispositif d&#39;injection pour alliage métallique amorphe
KR100872772B1 (ko) 스퍼터링 타겟 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20190104

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 6

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 7