Assemblage de multimatériaux en bicouches massives : Etude experimentale, modélisation et simulation du cofrittage.

Multimaterials assembly in thick bilayers : experimental study, modelling and cosintering simulation.

• Auteur / Autrice : Benjamin Desplanques
• Direction : François Valdivieso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/01/2014
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Valdivieso, Frédéric Bernard, Olivier Guillon, Helen Reveron, Alexandre Maître, Sébastien Saunier, Christophe Desrayaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Guillon, Helen Reveron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites -- Délaminage

Matériaux -- Fissuration

Composites

Métallurgie des poudres

Mots clés libres

Multimatériaux

Métallurgie des poudres

Suivi in situ

Modélisation

Simulation du cofrittage

Multimaterials

Powder metallurgy

In situ monitoring

Modelling

Cosintering simulation

Résumé

L’élaboration de multimatériaux en couches par métallurgie des poudres permet de réduire les coûts de fabrication, et d’augmenter les performances d’une pièce. Néanmoins, l’assemblage de multicouches engendre bien souvent des fissures ou même des délaminations, qui nuisent aux bonnes propriétés de la pièce. Ces travaux de thèse ont donc pour objectif de mieux comprendre quels peuvent être les paramètres importants à prendre en considération et leurs influences pour l’élaboration de multimatériaux. Pour cela, le cofrittage de trois couples de bimatériaux en couches massives a été étudié. Pour apprécier la cause de l’endommagement dans les bicouches, un dispositif de suivi in situ sans contact a été développé afin d’observer les déformations, les fissures, et les délaminations. De plus, la simulation du cofrittage grâce à un modèle de loi de comportement de type Binghamien a été réalisée dans le but de connaître le champ de contraintes résiduelles : les fissures observées ont été corrélées à ce champ de contraintes. Pour un premier couple de matériaux sans aucune interaction (Al2O3/ZrO2), il apparait nécessaire d’avoir des retraits qui débutent à des températures similaires, des retraits finaux proches, et une densification incomplète pour éviter l’endommagement. L’étude concernant la présence d’une phase liquide à l’interface (Al2O3/WC-Co) a souligné que celle-ci accroit l’accroche à l’interface pendant le frittage, mais qu’elle la fragilise lors du refroidissement. En présence d’une réaction à l’interface (ZrO2/Ti) une forte accroche chimique permet même de contrecarrer les effets néfastes d’un fort différentiel de retrait final.

The multilayer materials processed by powder metallurgy allow reducing the manufacturing cost. However, the multilayers assembly often leads to cracks or even debonding, which decreases the piece properties. The main purpose of this work is to better understand which important parameters have to be taken into account and their influences on the multimaterials processing. In order to fulfil this objective, the cosintering of three different couples of bimaterials in thick layer has been studied. To identify the damaging reasons in the bilayers, an in situ monitoring device has been developed to observe deformations, cracks and debonding. Moreover, the cosintering simulation with a Binghamien law model was performed to evaluate the internal stresses field : the experimentally observed cracks were correlated with this internal stresses field. For a first couple of materials with no interaction (Al2O3/ZrO2), it appears the necessity to have shrinkages which begin at similar temperatures, similar final shrinkages and an incomplete densification to avoid damaging. The study concerning the presence of a liquid phase at the interface (Al2O3/WC-Co) underlined that this liquid phase increases the bonding during the sintering, but decreases it during the cooling. With a reaction at the interface (ZrO2/Ti), a strong chemical bonding allows to avoid the bad effects of an important differential final shrinkage.