Caratérisation et modélisation thermo-mécaniques des assemblages métal-céramique élaborés par thermocompresion

par Lamine Hattali

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Daniel Treheux.


  • Résumé

    On a souvent recours à des assemblages métal-céramique pour des systèmes complexes couplant les propriétés, souvent opposées, des alliages métalliques et des céramiques. Les besoins industriels pour de hautes températures d’utilisation, en milieu corrosifs, restent toujours difficiles à satisfaire de façon fiable. Deux céramiques techniques industrielles ont été retenues pour cette étude : le carbure de silicium SiC et l’alumine Al2O3. Elles ont été assemblées à un superalliage de Nickel réfractaire (HAYNES™214®), selon le procédé de thermo-compression sous vide, par l’intermédiaire d’un joint métallique de faible épaisseur. La forte réactivité du SiC avec le nickel a conduit à rechercher une barrière de diffusion entre l’alliage et la céramique. Un joint d’argent ne formant aucun siliciure a permis d’éviter cette réactivité et a conduit ainsi à des tenues mécaniques en cisaillement significatives (45 MPa). Pour l’alumine (Al2O3), nous nous sommes orientés vers l’utilisation de joints de nickel, peu réactif avec cet oxyde. Cependant la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique (Al2O3) et les métaux (Ni et HAYNES™214®) conduit à de fortes concentrations de contraintes résiduelles à l’interface. Une simulation par éléments finis, en utilisant le code ABAQUS, a permis de localiser le champ de contraintes résiduelles dans ce type d’assemblage. Une comparaison entre un calcul élasto-plastique et un calcul élasto-visco-plastique a été réalisée. La distribution des contraintes est sensible à l’épaisseur du joint de nickel ainsi qu’aux dimensions et formes respectives de l’alliage et de la céramique. Il a ainsi été montré que le calcul asto-visco-plastique est indispensable pour caractériser la liaison Al2O3/Ni/HAYNES™214®, contrairement à des liaisons Al2O3/Ni/Al2O3 étudiées plus classiquement. De plus, les contraintes de tension dans la céramique sont beaucoup plus importantes pour l’assemblage alumine/alliage métallique que pour l’assemblage alumine/alumine. Ceci est retrouvé expérimentalement par les résultats de caractérisation mécanique (cisaillement, délamination) de ces deux types d’assemblage et par des mesures expérimentales de contraintes résiduelles par indentation et par diffraction des rayons X. La fragilisation de l’alumine près de l’interface est un phénomène connu dû essentiellement à la diffusion du métal de liaison et au frottement entre le joint métallique et l’alumine. Une corrélation entre la ténacité, l’intensité des contraintes résiduelles et le piégeage de charges électriques a été montrée. Enfin, l’étude de joints multicouches Cu-Ni-Cu a permis d’accommoder les contraintes et d’améliorer la résistance de l’assemblage Alumine/HAYNES™214®. De plus, la préoxydation des joints de cuivre côté alumine, reproduisant ainsi la méthode de l’eutectique, ouvre une voie quant à une utilisation des assemblages pour de hautes températures (> 1200 °C) et l’industrialisation du procédé pour de grandes séries.

  • Titre traduit

    Thermo-mechanical characterization and modelisation of metal/ceramic joint realized by solid state bonding technique


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Informations

  • Détails : 1 vol. (202p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 169 références

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2130
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : T230 mag
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