Directe
par Eric GAFFETLa mécanosynthèse directe est donc un procédé mécanique permettant l'obtention de poudres constituées du matériau souhaité dont la caractéristique essentielle par rapport aux autres procédés plus classique est l'aspect nanostructural (noté par la suite n-matériau). Ce sont des NanoMatériaux.
Différentes voies de mécanosynthèse peuvent être considérées à savoir :
a A + b B --> n-AaBb
AaBb --> n-AaBb
AaBb + c C --> n-AaBbCc
AaBb + CcDd --> n-AaBbCcDd
Amorphe AaBb --> n-AaBb
Amorphe AaBb --> aa n-A + Am. A(a-aa)Bb
Pour mémoire, nous rappelerons que l'amorphisation par mécanosynthèse est elle aussi possible selon les shèmas ;
xA + yB --> Amorphe AxBy
AxBy --> Amorphe AxBy
AaBb + CcDd --> Amorphe AaBbCcDd
Dans toute mise en oeuvre de la mécanosynthèse, différentes étapes sont à considérer en ce qui concerne le matériau produit pour une durée donnée de broyage. Cette évolution comporte différents aspects, une évolution macroscopique (caractérisable par microscopie optique ou microscopie électronique à balayage) une évolution microstructurale. Cependant pour ces deux évolutions, il faut distinguer une phase transitoire, et un régime stationnaire à partir duquel les caractéristiques macroscopiques et structurales ne vont plus évoluer : un équilibre dynamique s'est instauré.
2. Historique
La Mécanosynthèse (ou encore "Mechanical Alloying) est née aux Etats - Unis vers les années 1970 et a connu un essor considérable ces dernières années depuis la découverte de l'amorphisation à l'état solide et en raison de l'intérêt porté aux nanomatériaux et plus généralement aux matériaux métastables. La mécanosynthèse se définit comme un procédé de synthèse de matériaux (composés alliages, etc...) par cobroyage à sec ou en présence d'un agent de contrôle du procédé, de mélange de poudres d'éléments purs ou pré - alliés dans un broyeur à haute énergie. Cette technique s'ajoute ainsi à la panoplie des moyens d'étude de la métastabilité.
Au début des années 70, la mécanosynthèse permet par des chocs mécaniques successifs créés à l'intérieur de broyeurs de type attriteur ou broyeur de type horizontal d'obtenir des poudres constitutives du matériau composite métallique souhaité. Le mélange initial composé de poudres base Al ou Ni (matrice du matériau) et des poudres d'oxydes et/ou de carbures est sollicité mécaniquement et soumis à une succession de collage (soudage) décollage (décohésion) des particules. Cette succession purement mécanique a pour rôle d'homogénéiser physiquement les constituants initiaux. A l'origine, aucune réaction chimique n'était visée par ce procédé. Des matériaux correspondant à cette première phase historique de la mécanosynthèse (dite mécanosynthèse de première génération) sont actuellement produits industriellement par INCO Alloys International et en service actuellement (encore sous forme de prototypes, ce sont l'alliage MA754 (Ni - ODS) utilisé par General Electric sur le F404 pour une vanne depuis 1979 et le MA956 (Fe - ODS) pour le même appareil et la même société dans la chambre de combustion du réacteur). En développement, il faut noter l'alliage MA6000 (g' - ODS) utilisé sur un hélicoptère pour une application de type pâle de turbine pour fonctionnement à haute température non refroidie et enfin l'alliage léger AL-9052 (Al - 4% Mg + Oxyde / Carbure) dont la densité est d'environ 95% de celle de l'aliage 5083, alliage déjà utilisé.
Le Tableau 1 résume les alliages obtenus par mécanosynthèse dite de première génération et actuellement brevetés
Tableau 1 :
Alliages industriels obtenus par mécanosynthèse
Al |
Fe |
Ni |
Mg |
Li |
Ti |
Cr |
Mn |
Cu |
Mo |
W |
Ta |
Zr |
B |
O |
C |
Y2O3 |
|
IN-905XL |
Bal |
-- |
-- |
3.93 |
1.49 |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.46 |
1.15 |
||||||
IN-9052 |
Bal |
-- |
-- |
3.93 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.57 |
1.16 |
||||||
AA5083 |
Bal |
-- |
-- |
4.4 |
-- |
-- |
0.15 |
0.7 |
-- |
-- |
-- |
||||||
IN-9021 |
Bal |
-- |
-- |
1.5 |
-- |
-- |
-- |
-- |
4.0 |
0.8 |
1.1 |
||||||
MA956 Incoloy |
4.5 |
Bal. |
-- |
-- |
-- |
0.5 |
20.0 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.05 |
0.5 |
|||
MA957 |
-- |
Bal |
-- |
-- |
-- |
1.0 |
14.0 |
-- |
-- |
0.3 |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.01 |
0.27 |
|
MA754 Inconel |
0.3 |
1.0 |
Bal. |
-- |
-- |
0.5 |
20.0 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.05 |
0.6 |
|||
MA758 Inconel |
0.3 |
1.0 |
Bal. |
-- |
-- |
0.5 |
30.0 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.05 |
||||
MA760 Inconel |
6.0 |
1.0 |
Bal |
-- |
-- |
-- |
20.0 |
-- |
-- |
2.0 |
3.5 |
3.5 |
0.15 |
0.01 |
0.05 |
0.95 |
|
MA3002 |
4.0 |
= 1.0 |
Bal |
-- |
-- |
0.5 |
20.0 |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.05 |
0.6 |
|
MA6000 Inconel |
4.5 |
-- |
Bal |
-- |
-- |
2.5 |
15.0 |
-- |
2.0 |
4.0 |
2.0 |
0.15 |
0.01 |
0.05 |
1.1 |
L'une des grandes difficultés pour fabriquer de nouveaux matériaux (amorphes, alliages immiscibles, nanomatériaux, phases hautes températures,, etc...) à une échelle industrielle tient à leur métastabilité qui impose des techniques de synthèse qui limitent les quantités produites. La mécanosynthèse, de mise en oeuvre aisée, devrait permettre un passage de l'échelle du laboratoire à l'échelle industrielle malgré le faible rendement énergétique de cette méthode d'élaboration. Pour ces deux raisons : métastabilité et applications envisageables, la synthèse par voie mécanique fait l'objet de nombreux travaux destinés à caractériser ce procédé et à comprendre les mécanismes par lesquels des matériaux aussi variés peuvent être produits.
3. Elaboration Par Mecanosynthèse / Transitions de Phases Hors Equilibre 3.1 Amorphisation par Mécanosynthèse :La transition de phase cristal - amorphe induite par mécanosynthèse a été reportée pour la première fois par Yermakov et al. et Koch et al. dans le cas des systèmes Co - Y et Ni - Nb respectivement. Cette nouvelle voie de synthèse de la métallurgie des poudres avait été précédemment employée par Benjamin et al. pour élaborer des matériaux composités à dispersion d'oxydes [3 - 7]. Par la suite, de nombreuses études ont permis de confirmer la réalité de l'amorphisation induite par chocs mécaniques pour de multiples systèmes, comme nous pouvons nous en rendre compte à l'aide du Tableau suivant.
3.2. Nanocristaux par Mécanosynthèse
Parallèlement à cet aspect amorphisation par chocs mécaniques, sont apparues au cours de ces dernières années de nouvelles potentialités dans le domaine de l'élaboration des nanomatériaux ; nanocristaux monophasés ou matériaux multiphasés pour lesquels la répartition des phases se développent à l'échelle nanométrique.
3.3. Différents broyeurs - Différentes puissances injectées
Si le principe de la mécanosynthèse permettant l'élaboration de matériau sous forme de poudre monophasée ou constituée de différentes phases, est la succession de chocs mécaniques sur des particules à l'intérieur d'un container, différents moyens de créer ces chocs ont été développés. Tout d'abord, des broyeurs à applications de type industriel et historiquement le broyeur de type "attriteur" utilisé en 1922 par A. Szigari pour la vulcanisation du Caoutchouc, suivi par les broyeurs horizontaux permettant de traiter une grande quantité de poudre, typiquement 1 Tonne de Poudre avec un ajout de 106 billes - 10 Tonnes. Le diamètre d'un tel appareil est de 2 m.
Cependant, ces broyeurs, bien adaptés à la production industrielle, le sont nettement moins pour les études de Recherches et Développement. Pour ces dernières, des broyeurs planétaires d'une capacité de 10 à 250 cm3 sont largement utilisés (essentiellement en Europe de l'Ouest). Aux USA, des broyeurs de capacité plus faible (10 cm3) présentent des mouvements oscillatoires à 3 D (type Spex Mill). Enfin il faut citer des broyeurs à vibrations verticales qui présentent l'avantage d'être relativement simple à analyser du point de vue de la cinématique des chocs, cependant ils sont limités par les performances en termes d'énergie de chocs. Il est à noter que même dans le cas de broyeur classique comme les attriteurs, des développements récents permettent leur optimisation tant en ce qui concerne l'homogénéisation du produit, que l'efficacité des chocs mécaniques. Les broyeurs planétaires et des broyeurs vibratoires verticaux sont les broyeurs ayant connu au cours des cinq dernières années les développements les plus importants.
- Broyeur Planétaire : Les travaux de E. Gaffet et al. ont montré que le facteur pertinent pilotant la transition de phase cristal - amorphe dans le cas de l'intermétallique Ni10Zr7 (composé réputé le plus sensible aux conditions de broyage est la puissance de chocs et non l'énergie de chocs seule. Des travaux numériques s'appuyant sur l'étude cinématique du déplacement des billes dans un broyeur planétaire ont été en effet récemment développés et permettent une transposition des résultats d'un type de broyeur planétaire à un autre type distinct par exemple par les dimensions du plateau supportant les satellites. Les broyeurs spécifiques développés au cours de cette étude font actuellement l'objet d'une étude pour un développement commercial. Nous reviendrons plus loin sur les résultats obtenus dans ce cadre.
- Broyeur vibratoires verticaux : Les travaux de Chen et al., de Le Caër et al. ont permis respectivement de modifier des modèles existants ou de créer des modèles de grande capacité permettant de mieux contrôler les paramètres fréquence de chocs. Pour ces derniers, les performances du broyeur vibratoire vertical sont les suivantes : fréquence = 17 Hz, 30 mm d'amplitude, vitesse d'impact = 3.5 m/s, quantité de poudre maximale : 250g.
Concernant les phénomènes directement liés au broyeur et aux différents modes de sollicitations permettant de générer les chocs, une question reste d'après la littérature, totalement ouverte, à savoir quel est l'effet thermique engendré par ces chocs. En général, la température moyenne des containers varie de la température ambiante à environ 90°C. Mais en ce qui concerne la température atteinte dans la zone directement affectée par le choc, les avis divergent comme il est observé sur le Tableau 2.
Tableau 2 :
Elévation de température induite par les chocs mécaniques.
| Elévation de Température | Méthodes de détermination |
38°C, |
Calcul de cisaillement à l'interface sous impact |
+ 200°C |
Expériences + Calcul |
+ 300°C |
(Martensite) - Post Expériences + Calcul |
+ 600°C |
Calcul |
Fusion Locale |
Déformation Plastique - Calcul (?) |
Tableau 3:
Puissance mécanique injectée en fonction des différents types de broyeurs .
| Broyeur | Vibrant |
Planetaire |
||||
Attriteur |
Fritsch |
Spex |
Fritsch P5 |
G7 [ |
G5 |
|
Puissance W/g/bille |
< 0.001 |
0.005- 0.14 |
<0.24 |
0.01-0.8 |
0.-0.56 |
0-1.604 |
i) En ce qui concerne les matériaux constituants les containers ainsi que les billes (ou barreaux), il s'agit de :
la dureté, cela va implicitement affecter la puissance de chocs par un facteur d'efficacité. Il faut toutefois noter qu'un matériau très dur - du type CW - est efficace en terme de critère d'efficacité de transfert de chocs, mais s'abrase très rapidement. Ce phénomène peut entraîner une contamination très importante,
du rapport (nombre de billes/masse de poudre) - paramètre explicitement relié à la fréquence de choc,
masse de billes - paramètre influençant la puissance de chocs.
ii) Pour ce qui est de la nature de la poudre, :
la dureté relative de la poudre par rapport à celle des billes et des parois du container va affecter la taille finale des cristallites,
l'état initial de la poudre n'aura pas d'effet sur la nature du régime stationnaire. Par contre, un effet important sera à noter sur les régimes transitoires
iii) Il faut enfin noter un effet non négligeable de la nature des gaz sur la nature du produit final et ce même pour des gaz de compositions très proches ou réputés neutres par rapport au matériau broyé.