Modélisation numérique du procédé de frittage SPS : contribution à l'homogénéisation des températures et analyse de la dispersion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Numerical modeling of the Spark Plasma Sintering (SPS) process: contribution to the homogenization of temperatures and analysis of the dispersion

Modélisation numérique du procédé de frittage SPS : contribution à l'homogénéisation des températures et analyse de la dispersion

Résumé

Spark Plasma Sintering (SPS) is a novel hot consolidation technique of materials, which combines the effects of pulsed electrical current and uniaxial pressure. Compared to other conventional methods, SPS offers exceptional benefits, including rapid heating rate and reduced sintering temperature and holding time, which allow to limit grain growth and to improve final properties of materials. The major limitations of the SPS sintering are related to the lack of knowledge of the real temperature of the sample and to the appearance of thermal gradients, which lead to the heterogeneity of the microstructure and consequently to that of the properties of sintered materials. In this study, a series of SPS experiments under temperature control mode of alumina, as a good representative of non-conductive materials were performed. Their results were used to develop a finite element model with limited assumptions, using thermal-electrical coupling phenomena involved in the process. Particular attention was given to the influence of some experimental parameters which are mentioned but rarely investigated in the literature, in particular the dissymmetry of the water cooling system and the thermal insulation of the die. Simulations based on the developed model have shown that a partial thermal insulation of the die (using a felt insulator) is more effective to homogenize the temperature inside the sample, than the total insulation of the die, commonly used. Moreover, this model shows that it is possible to optimize the temperature distribution in the sample, based on a controlled die shift with an optimal thermal insulation by varying the thickness and the height of the felt. Moreover, the built model has allowed us to identify two potential sources of error at the origin of the temperature dispersion during the SPS experiments, namely a misalignment of the axial pyrometer used to the control temperature and a shift of the die relatively to the sample. These two sources of error have a significant impact on the deviation of the temperature from the imposed setpoint and on the axial thermal gradient generated in the sample. Their cumulative effects are accentuated in the case of large samples.
Le procédé de frittage SPS (Spark Plasma Sintering) est une technique de consolidation des matériaux par compactage rapide de poudres. Son principe est basé sur l’application d’une pression uniaxiale associée à un courant pulsé qui génère un taux de chauffage rapide. La possibilité d’appliquer des températures relativement basses (comparées à celles des procédés conventionnels) avec des durées de chauffage très courtes, permet de limiter le grossissement des grains et d’améliorer les propriétés finales des matériaux. Les limitations majeures du frittage SPS sont liées, d’une part, à la méconnaissance de la température réelle de l’échantillon et d’autre part, à l’apparition de gradients thermiques, qui conduisent à l’hétérogénéité de la microstructure et par conséquent à celle des propriétés du matériau fritté. Dans cette étude, des expériences de frittage SPS ont été réalisées, dans le cas de l’alumine, choisie comme modèle représentatif pour les matériaux non-conducteurs. Leurs résultats ont été utilisés pour développer un modèle par éléments finis, couplant les phénomènes thermiques et électriques impliqués dans ce procédé. Des simulations numériques ont été réalisées pour analyser l’effet de plusieurs paramètres sur la distribution de température dans l’échantillon, relatifs soit à l’échantillon (dimensions et forme, conductivité thermique et électrique) soit à la procédure expérimentale (feuilles de contact, design et dimensions de l’outillage SPS, emplacement de la matrice par rapport à l’échantillon, isolation thermique, et les points de mesures de la température). Une attention particulière a été accordée à l’influence de certains paramètres expérimentaux qui sont évoqués mais rarement analysés dans la littérature, notamment la dissymétrie du refroidissement du système SPS et l’isolation thermique de la matrice. Les simulations basées sur le modèle développé ont montré qu’une isolation thermique partielle de la matrice (en utilisant un feutre isolant) est plus efficace pour homogénéiser la température dans l’échantillon, que l’isolation totale de la matrice, couramment utilisée. Par ailleurs, le modèle montre qu’il est possible d’optimiser la distribution de température dans l’échantillon, en combinant un décalage contrôlé de la matrice avec une isolation thermique optimale en jouant sur l’épaisseur et la hauteur du feutre. Par ailleurs, le modèle construit nous a permis d’identifier deux sources potentielles d’erreur à l’origine de la dispersion de la température lors des expériences SPS, à savoir un désalignement du pyromètre axial de régulation et un décalage de la matrice par rapport à l’échantillon. Ces deux sources d’erreur ont un impact important sur la déviation de la température par rapport à la consigne imposée et sur le gradient thermique axial engendré dans l’échantillon. Leurs effets qui peuvent se cumuler sont accentués dans le cas d’échantillons de grandes dimensions.
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tel-01980011 , version 1 (14-01-2019)
tel-01980011 , version 2 (20-03-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01980011 , version 2

Citer

Youssef Achenani. Modélisation numérique du procédé de frittage SPS : contribution à l'homogénéisation des températures et analyse de la dispersion. Matériaux. École Mohammadia d’Ingénieurs, Rabat (Maroc), 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01980011v2⟩
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