Optimisation des procédés SHS, MASHS et ETEPC pour l'obtention de phasesd MAX (poudres et matériaux denses) dans le système Ti-Al-C

par Ali Hendaoui

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Jean-François Bocquet.

Soutenue en 2008

à Paris 13 .

mots clés

• Trempe
• Carbure de titane

Résumé

L’objectif principal de cette étude est le contrôle du procédé SHS (Self-propagating High-temperature Synthesis) par la compréhension des mécanismes réactionnels en vue d’optimiser la production de phases MAX dans le système Ti-Al-C (Ti2AlC et Ti3AlC2), pour lesquels d’autres procédés plus onéreux sont généralement privilégiés telles que le SPS (Spark Plasma Sintering) ou HIP (Hot Isostatic Pressing). La méthode de trempe, consistant à arrêter artificiellement l’onde de combustion, nous a permis de mieux appréhender le mécanisme réactionnel. L’étude par MASHS et par la vitesse de refroidissement nous a permis de démontrer que l’optimisation du temps de maintient de l’échantillon à hautes températures était la solution pour obtenir des échantillons purs en phases MAX dans le système Ti-Al-C. Nous avons ainsi pu synthétiser pour la première fois des échantillons en phases MAX d’une pureté inégalée par cette technique. Nous avons également démontré qu’il était possible de synthétiser ces phases avec un rendement élevé en utilisant des réactions thermites, réduisant ainsi davantage le coût de la production. Afin de densifier les échantillons, un nouveau procédé de synthèse et de densification simultanée a été développé dans le cadre de ce travail, appelé explosion électrothermique sous charge avec confinement ou ETEPC (Electro-Thermal Explosion under Pressure with Confinement). L’étude préliminaire de mise en œuvre effectuée sur le système Ti-C a montré qu’il était possible d’accéder à une amélioration sensible de la densification en utilisant une pression modéré après la réaction, par l’ajout d’un élément fusible. A cause de la vitesse importante de refroidissement induite par le contact avec les poinçons et le moule de confinement, du carbure de titane a été stabilisé sous sa forme nanostructuré. Du Ti2AlC a été également produit par ETEPC à partir du mélange de poudres Ti-Al-C. La caractérisation par DRX a révélé cependant l’existence de gradients de composition.

Titre traduit

The SHS, MASHS and ETEPC processes optimization to obtain MAX phases (powders and dense materials) in the Ti-Al-C system

Résumé

The aim of this study is the control of the SHS (Self-propagating High-temperature Synthesis) process by understanding the reaction mechanisms in order to optimise the production of MAX phases in the Ti-Al-C (Ti2AlC et Ti3AlC2) system, for which more expensive processes are commonly used, such as SPS (Spark Plasma Sintering) or HIP (Hot Isostatic Pressing). The quenching method, which consists in an artificial stop to the combustion front, led to a better understanding of the reaction process. The MASHS and cooling speed studies prove that optimising the time at high temperatures is the solution to get pure MAX phases in the Ti-Al-C system. For the first time, we have synthesized high purity MAX phases using this process. We also demonstrate that it was possible to synthesize low-cost MAX phases with a good yield using thermite reactions. In order to improve the samples’ density, a new process of simultaneous synthesis and densification was developed, called ETEPC (Electro-Thermal Explosion under Pressure with Confinement). The preliminary study on this process made on the Ti-C system has shown that it was possible to have a sensible enhancement of the density by applying a moderate pressure after the reaction when adding a low melting point material. Because of the high cooling rate due to the contact of the sample with the cold die and punches, nano-sized titanium carbide was stabilised. Ti2AlC was also produced using the ETEPC process from a Ti-Al-C mixture. However, XRD revealed composition gradients.