Frittage (conventionnel) des poudres micrométriques

Frittage (conventionnel) des poudres micrométriques

REVUE DES CONNAISSANCES ET DE LA LITTÉRATURE:

Dans le cadre de ce mémoire, le développement d’une méthode innovante de frittage de nanoparticules d’argent est étudié et est comparée à la technique conventionnelle de brasage pour la fabrication des joints cuivre-argent utilisée pour la réparation des conducteurs de cuivre des génératrices de turbines hydro-électriques. Une revue de la littérature des deux procédés est présentée aux sections suivantes. Notre étude se concentre sur l’utilisation et la validation du processus de frittage de nanoparticules pour la fabrication de joints structuraux dans l’industrie électrique. Dans le cadre d’un projet industriel avec la compagnie Alstom Énergie Renouvelable, une technique de frittage en développement sera comparée à la technique de brasage actuellement utilisée par l’entreprise. Le processus général de frittage sera détaillé puis une revue de littérature des spécificités du frittage des nanoparticules sera effectuée par la suite.

Procédé de frittage :

Le frittage est un procédé d’assemblage des poudres permettant de faire évoluer un matériau pulvérulent vers un matériau dense utilisant comme force motrice la diminution de l’énergie du système à des températures inférieures au point de fusion (German 1994). La cohésion des pièces obtenues s’explique par la formation et la croissance de liaisons entre les particules appelées cous ou ponts inter particulaires entrainant le rapprochement des particules de poudre et ainsi la diminution de la porosité du système. L’agglomération des particules ainsi frittées mène à une diminution isotopique du volume total de la pièce, ce phénomène correspond au retrait de frittage. Les paramètres principaux associés à ce procédé sont la température, la pression de compaction, le temps de frittage ainsi que les dimensions des particules.
Ce procédé est utilisé dans de nombreux secteurs, du transport pour la formation de pièces aux formes complexes comme des engrenages, de l’énergie pour la formation des combustibles nucléaires et du médical pour la fabrication de certaines prothèses. La densité de la pièce obtenue par agglomération des poudres pouvant être contrôlée, ce procédé permet ainsi la fabrication de pièces poreuses comme par exemple des bagues de cuivre auto lubrifiées pour le guidage d’assemblage tournant.
Avec le développement des nanoparticules, les perspectives de l’utilisation du frittage évoluent et entrainent l’essor de nouvelles applications. C’est dans le domaine de l’électronique que convergent actuellement les efforts de recherche où l’utilisation de nanoparticules s’avère appropriée et avantageuse pour l’assemblage des puces. Cependant, peu de recherches font état de l’utilisation du frittage des nanoparticules pour la fabrication de joints structuraux dans les connexions électriques de plus grande dimension.

PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIF DU PROJET:

Contexte et problématique :

Ce projet s’inscrit dans le cadre d’un besoin industriel rencontré par l’entreprise Alstom Énergies Renouvelables, entreprise internationale dans la production d’énergie qui conçoit, fabrique et réfectionne des turbines et des alternateurs hydrauliques. La maintenance et l’entretien des génératrices hydro-électriques nécessitent parfois la réparation des conducteurs de cuivre formant le bobinage des alternateurs. Actuellement, l’entreprise utilise une méthode de brasage à la torche pour assembler les conducteurs du cuivre, cependant, cette solution comporte plusieurs inconvénients techniques rendant la réparation sur site difficile à mettre en œuvre. En effet le chauffage important requis pour porter l’alliage de brasage en fusion vient détériorer les isolants entourant les conducteurs de cuivre et nécessite la mise en place de systèmes de protection des éléments environnants. D’autre part, ces réparations s’effectuant dans un environnement restreint, l’utilisation d’une flamme et la présence de métal en fusion présentent des risques importants pour l’opérateur et la génératrice en elle-même.

Objectifs du projet:

Pour répondre à ce cahier des charges, le partenaire industriel est intéressé par l’étude d’une nouvelle méthode d’assemblage par frittage de nanoparticules. L’objectif principal du projet de recherche est alors de développer une nouvelle méthode d’assemblage par frittage des poudres pour remplacer la réparation par brasage actuellement utilisée. Cette technologie fait l’objet d’un intérêt grandissant notamment dans le secteur de la microélectronique. Elle est utilisée dans l’assemblage des puces électroniques pour les faibles températures et pressions requises à sa mise en œuvre. Ainsi les études menées pour les applications en microélectronique ont su montrer la conformité des performances des joints de nanoparticules frittés pour ce secteur. Cependant peu d’études s’intéressent à l’utilisation du frittage comme technique de fabrication de joints structuraux en dehors de l’attache de puces électroniques. C’est donc dans ce cadre que nous allons étudier la possibilité de transporter les méthodes utilisées en micro-électronique vers la fabrication de joints structuraux pour l’industrie électrique comme technique de jonction alternative au brasage. Ce projet de recherche propose de combiner différentes approches expérimentales pour étudier l’impact des paramètres de fabrication sur les propriétés finales des assemblages.
Spécifiquement, cela consiste à étudier les mécanismes fondamentaux régissant le comportement métallurgique et mécanique des assemblages frittés et brasés afin de développer une méthode de réparation adaptée. Le projet vise donc à définir et optimiser une méthode d’assemblage minimisant le chauffage des joints, l’émission de produits nocifs et la détérioration des éléments environnant tout en maximisant la conductivité électrique et la résistance mécanique de la zone réparée. Finalement, les propriétés des joints frittés et brasés seront comparées pour en déduire la possibilité de la mise en œuvre du frittage pour la réparation.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DES CONNAISSANCES ET DE LA LITTÉRATURE
1.1 Procédé de frittage
1.1.1 Frittage (conventionnel) des poudres micrométriques
1.1.2 Frittage des poudres nanométriques
1.1.3 Propriétés particulières et fabrication des particules nanométriques
1.1.4 Paramètres influençant le frittage
1.2 Procédé de brasage
1.2.1 Mécanismes et principes physiques du brasage
1.2.2 Paramètre influençant le brasage
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIF DU PROJET
2.1 Contexte et problématique
2.2 Objectifs du projet
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE
3.1 Matériaux
3.1.1 Matériaux utilisés pour le frittage
3.1.2 Matériaux utilisés pour le brasage
3.2 Fabrication des joints frittés et brasés
3.2.1 Préparation des brins de cuivre
3.2.2 Assemblage par frittage
3.2.3 Assemblage par brasage
3.3 Caractérisation des joints fabriqués
3.3.1 Caractérisation métallographique des joints
3.3.2 Caractérisation mécanique des joints
3.3.3 Analyses thermogravimétriques du métal d’apport
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
4.1 Essais relatifs au brasage
4.1.1 Détermination de la résistance mécanique des joints brasés
4.1.2 Effet de l’épaisseur de métal d’apport et de la pression lors du brasage
4.2 Essais relatifs au frittage
4.2.1 Choix du métal de base
4.2.2 Analyse de l’influence des paramètres de frittage
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS