Les aciers fabriqués en métallurgie des poudres (MP) conventionnelle sont caractérisés par une proportion importante de porosités inhérentes au procédé de fabrication. Ces porosités constituent des défauts dans la microstructure et ont pour effet de limiter les propriétés mécaniques atteignables dans les aciers MP, en comparaison avec les matériaux corroyés. L'option la plus directe pour réduire l'incidence négative des porosités est de tout simplement réduire leur proportion, soit en augmentant la densité à crue ou en favorisant la densification lors du frittage. Concernant cette dernière approche, un système métallurgique en MP peut être conçu pour permettre la formation d'une phase liquide lors de l'étape de frittage. La phase liquide a pour effet d'activer des mécanismes de densification et de transport de matière supplémentaire dont la cinétique est plus rapide que les mécanismes se produisant à l'état solide. Dans les aciers MP, l'ajout d'une certaine proportion de bore permet de créer une phase liquide menant à une densification améliorée. Bien que le bore permette, à terme, d'atteindre des densités frittées supérieures à ce qu'il est possible d'obtenir lors du frittage à l'état solide, la solidification d'une phase liquide issue d'une réaction eutectique mène obligatoirement à la formation d'une structure eutectique contenant au moins un composé riche en bore. La présence de cette structure eutectique, reconnue pour conférer un comportement fragile aux aciers MP contenant du bore, constitue un élément limitant les possibilités et l'adoptabilité de ces matériaux. Cette situation ambivalente est problématique puisque la relation entre les propriétés mécaniques, la phase liquide solidifiée et la composition chimique n'est pas bien documentée. Cette thèse s'attaque à la question du frittage en phase liquide des aciers MP contenant du bore sous plusieurs aspects. L'utilisation d'un alliage-mère spécialement conçu pour promouvoir la formation d'une phase liquide est d'abord explorée. Il s'avère possible de produire des aciers MP au bore n'étant pas sujet aux impacts néfastes de la phase liquide solidifiée en contrôlant la teneur de plusieurs éléments chimiques autres que le bore, tels le carbone et le molybdène. Les travaux sont ensuite axés sur l'effet de la teneur en molybdène pré-allié sur l'initiation et sur les mécanismes du frittage en phase liquide, ainsi que sur la relation entre la microstructure formée lors de la solidification de la phase liquide et les propriétés mécaniques. Une analyse détaillée des microstructures en microscopie optique et électronique, ainsi que de la nature des phases composant la structure eutectique, a permis de révéler l'importance de promouvoir la formation de borures et non de borocarbures, en limitant la teneur en Mo pré-alliée. De plus, cette thèse explore une alternative à l'alliage-mère initialement étudié, soit le pré-alliage du bore. L'optimisation de la composition chimique d'aciers fabriqués à partir d'une poudre de fer pré-allié avec du bore a révélé que chaque élément d'alliage utilisé, et non seulement le molybdène, présentent une teneur seuil à ne pas dépasser pour ne pas impacter négativement les propriétés mécaniques. Finalement, ces travaux apportent de nouvelles connaissances sur les aciers MP au bore et sur leur frittage en phase liquide, et permettent d'établir des plages de teneur en éléments d'alliage permettant de profiter des effets bénéfiques de la présence d'une phase liquide sur la densification. / Steels produced by conventional powder metallurgy (PM) are characterized by a high proportion of porosities, inherent to the manufacturing process comprised of uniaxial compaction of metal powders and sintering. These porosities constitute defects in the microstructure and are limiting factors for the mechanical properties of PM steels, in comparison with wrought materials. The most direct option to reduce the negative impact of porosities is to simply reduce their proportion, either by increasing green density or by promoting densification during sintering. Regarding the latter approach, a metallurgical system in PM can be designed to promote the formation of a liquid phase during the sintering step, thus activating mechanisms of densification and mass transport having faster kinetics than mechanisms occurring in solid state. In PM steels, adding a certain proportion of boron can promote the formation of a liquid phase leading to improved densification. Although boron ultimately makes it possible to achieve sintered densities greater than what is possible in solid state sintering alone, the solidification of a liquid phase resulting from a eutectic reaction obviously leads to the formation of a eutectic structure containing at least one boron-rich compound. The presence of this eutectic structure, known to be the source of the brittle behavior associated with PM steels containing boron, constitutes an element limiting the possibilities and the adoptability of these materials. This ambivalent situation is problematic since the relationship between the mechanical properties, the solidified liquid phase and the chemical composition is not well documented. This thesis tackles the question of liquid phase sintering of MP steels containing boron from several angles. The use of a specially designed master-alloy to promote the formation of a liquid phase is first explored. It was found that it is possible to produce boron PM steels that are not subject to the adverse impacts of the solidified liquid phase by controlling the content of several chemical elements other than boron, such as carbon and molybdenum. This work then focused on the effect of pre-alloyed molybdenum content on the initiation and on the mechanisms active during liquid phase sintering. Moreover, the relationship between the microstructure formed during the solidification of the liquid phase and the properties mechanical were also studied. A detailed analysis of the microstructures by optical and electron microscopy, as well as the nature of the phases composing the eutectic structure, revealed the importance of promoting the formation of borides and not of borocarbides by limiting the content of pre-alloyed Mo. In addition, this thesis explores an alternative to the master-alloy initially studied, namely the use of an iron powder pre-alloyed with boron. Optimization of the chemical composition of steels made from an iron powder pre-alloyed with boron revealed that each alloying element used, and not just molybdenum, has a threshold content that should not be exceeded to avoid a negative impact on the mechanical properties. Finally, this work provides new knowledge on PM steels containing boron and their sintering in the presence of a liquid phase and safe concentration zones in alloying elements can be established to take advantage of the beneficial effects of the presence of a liquid phase on densification while avoiding fragilization.

Les aciers fabriqués en métallurgie des poudres (MP) conventionnelle sont caractérisés par une proportion importante de porosités inhérentes au procédé de fabrication. Ces porosités constituent des défauts dans la microstructure et ont pour effet de limiter les propriétés mécaniques atteignables dans les aciers MP, en comparaison avec les matériaux corroyés. L'option la plus directe pour réduire l'incidence négative des porosités est de tout simplement réduire leur proportion, soit en augmentant la densité à crue ou en favorisant la densification lors du frittage. Concernant cette dernière approche, un système métallurgique en MP peut être conçu pour permettre la formation d'une phase liquide lors de l'étape de frittage. La phase liquide a pour effet d'activer des mécanismes de densification et de transport de matière supplémentaire dont la cinétique est plus rapide que les mécanismes se produisant à l'état solide. Dans les aciers MP, l'ajout d'une certaine proportion de bore permet de créer une phase liquide menant à une densification améliorée. Bien que le bore permette, à terme, d'atteindre des densités frittées supérieures à ce qu'il est possible d'obtenir lors du frittage à l'état solide, la solidification d'une phase liquide issue d'une réaction eutectique mène obligatoirement à la formation d'une structure eutectique contenant au moins un composé riche en bore. La présence de cette structure eutectique, reconnue pour conférer un comportement fragile aux aciers MP contenant du bore, constitue un élément limitant les possibilités et l'adoptabilité de ces matériaux. Cette situation ambivalente est problématique puisque la relation entre les propriétés mécaniques, la phase liquide solidifiée et la composition chimique n'est pas bien documentée. Cette thèse s'attaque à la question du frittage en phase liquide des aciers MP contenant du bore sous plusieurs aspects. L'utilisation d'un alliage-mère spécialement conçu pour promouvoir la formation d'une phase liquide est d'abord explorée. Il s'avère possible de produire des aciers MP au bore n'étant pas sujet aux impacts néfastes de la phase liquide solidifiée en contrôlant la teneur de plusieurs éléments chimiques autres que le bore, tels le carbone et le molybdène. Les travaux sont ensuite axés sur l'effet de la teneur en molybdène pré-allié sur l'initiation et sur les mécanismes du frittage en phase liquide, ainsi que sur la relation entre la microstructure formée lors de la solidification de la phase liquide et les propriétés mécaniques. Une analyse détaillée des microstructures en microscopie optique et électronique, ainsi que de la nature des phases composant la structure eutectique, a permis de révéler l'importance de promouvoir la formation de borures et non de borocarbures, en limitant la teneur en Mo pré-alliée. De plus, cette thèse explore une alternative à l'alliage-mère initialement étudié, soit le pré-alliage du bore. L'optimisation de la composition chimique d'aciers fabriqués à partir d'une poudre de fer pré-allié avec du bore a révélé que chaque élément d'alliage utilisé, et non seulement le molybdène, présentent une teneur seuil à ne pas dépasser pour ne pas impacter négativement les propriétés mécaniques. Finalement, ces travaux apportent de nouvelles connaissances sur les aciers MP au bore et sur leur frittage en phase liquide, et permettent d'établir des plages de teneur en éléments d'alliage permettant de profiter des effets bénéfiques de la présence d'une phase liquide sur la densification. / Steels produced by conventional powder metallurgy (PM) are characterized by a high proportion of porosities, inherent to the manufacturing process comprised of uniaxial compaction of metal powders and sintering. These porosities constitute defects in the microstructure and are limiting factors for the mechanical properties of PM steels, in comparison with wrought materials. The most direct option to reduce the negative impact of porosities is to simply reduce their proportion, either by increasing green density or by promoting densification during sintering. Regarding the latter approach, a metallurgical system in PM can be designed to promote the formation of a liquid phase during the sintering step, thus activating mechanisms of densification and mass transport having faster kinetics than mechanisms occurring in solid state. In PM steels, adding a certain proportion of boron can promote the formation of a liquid phase leading to improved densification. Although boron ultimately makes it possible to achieve sintered densities greater than what is possible in solid state sintering alone, the solidification of a liquid phase resulting from a eutectic reaction obviously leads to the formation of a eutectic structure containing at least one boron-rich compound. The presence of this eutectic structure, known to be the source of the brittle behavior associated with PM steels containing boron, constitutes an element limiting the possibilities and the adoptability of these materials. This ambivalent situation is problematic since the relationship between the mechanical properties, the solidified liquid phase and the chemical composition is not well documented. This thesis tackles the question of liquid phase sintering of MP steels containing boron from several angles. The use of a specially designed master-alloy to promote the formation of a liquid phase is first explored. It was found that it is possible to produce boron PM steels that are not subject to the adverse impacts of the solidified liquid phase by controlling the content of several chemical elements other than boron, such as carbon and molybdenum. This work then focused on the effect of pre-alloyed molybdenum content on the initiation and on the mechanisms active during liquid phase sintering. Moreover, the relationship between the microstructure formed during the solidification of the liquid phase and the properties mechanical were also studied. A detailed analysis of the microstructures by optical and electron microscopy, as well as the nature of the phases composing the eutectic structure, revealed the importance of promoting the formation of borides and not of borocarbides by limiting the content of pre-alloyed Mo. In addition, this thesis explores an alternative to the master-alloy initially studied, namely the use of an iron powder pre-alloyed with boron. Optimization of the chemical composition of steels made from an iron powder pre-alloyed with boron revealed that each alloying element used, and not just molybdenum, has a threshold content that should not be exceeded to avoid a negative impact on the mechanical properties. Finally, this work provides new knowledge on PM steels containing boron and their sintering in the presence of a liquid phase and safe concentration zones in alloying elements can be established to take advantage of the beneficial effects of the presence of a liquid phase on densification while avoiding fragilization.

La demande croissante de pièces fabriquées par l'impression par liants (IL) requiert le développement de nouvelles poudres métalliques qui sont spécifiquement adaptées pour ce procédé de fabrication additive. Le frittage de pièces fabriquées par IL est habituellement effectué à haute température pendant de périodes prolongées pour maximiser la densification. Ce projet de recherche se concentre sur l'optimisation de la composition chimique de l'AISI 4340, un acier qui peut facilement durcir, et de l'AISI D2, un acier à outil utilisé pour sa bonne résistance à l'usure, pour la création de grades d'acier spécifiques pour l'IL qui peuvent être frittés à des températures faibles dans des fours conventionnels, et ce sans limiter la densification. Des ajouts faibles de bore permettent la formation d'une phase liquide riche en bore, dans les aciers, à une température approximative de 1200 °C, ce qui permet d'augmenter significativement la cinétique de densification à travers le frittage en phase liquide permanente. L'effet de l'ajout de bore sur la densification et des propriétés de traction a été étudié pour ces deux aciers. Les résultats ont démontré qu'un ajout faible en bore peut effectivement augmenter la densification de l'AISI 4340 et de l'AISI D2 de manière marquante, et ce à des températures pas plus élevées que 1200 °C. Par la suite, les deux poudres ont été imprimées par impression par liants et les résultats entre les pièces fabriquées et les pièces imprimées ont été comparés. Une densification plus élevée a été obtenue pour les pièces imprimées, aux dépens des propriétés mécaniques et cet effet est probablement lié au temps de frittage. / The growing demand for parts manufactured by binder jetting (IL) requires the development of new metal powders that are specifically tailored for this additive manufacturing (AM) process. Furthermore, the sintering of IL parts is usually performed at high temperatures and for extended periods of time to maximize densification. This work focuses on the optimization of the chemical composition of AISI 4340, a highly hardenable steel, and of AISI D2, a tool steel used for wear resistance, to create specific steel grades for IL that can be sintered at lower temperatures in conventional belt furnaces without limiting densification. Small additions of boron lead to the formation of a boron-rich liquid phase in steels at approximately 1 200 °C, which significantly increases densification kinetics through permanent liquid phase sintering. The effect of boron content on densification and tensile properties was studied for both steel grades. The results showed that small additions of boron can indeed substantially improve densification of AISI 4340 and D2 at temperatures no higher than 1 200°C. Both powders were then printed by binder jetting and results between fabricated parts and printed parts were compared, where higher densification was obtained for printed parts, at the expense of lower mechanical properties probably linked to longer sintering times.

Pas de résumé

Le « Frittage Flash » ou « Spark Plasma Sintering (SPS) » est utilisé pour consolider des poudres en des temps relativement courts (quelques minutes). Ce procédé utilise un haut courant continu pulsé (quelques kA), traversant les parties conductrices du système et générant une montée rapide en température induite principalement par effet Joule. L’application d’un chargement mécanique, via des pistons, et d’une rapide montée en température permet d’obtenir une pièce dense sans grossissement excessif des grains. L’objectif de ce travail a été de proposer une simulation numérique thermo-électro-mécanique du procédé « Frittage Flash » sur ABAQUS, afin de suivre in situ les évolutions de température, de porosité et des contraintes difficilement accessibles expérimentalement. Dans ce travail, un modèle de comportement des corps poreux est proposé. Cette approche est basée sur les modèles micromécaniques de la littérature et modifiés de manière heuristique pour reproduire la densification réelle du matériau pour des porosités comprises entre 0 et 50%. Les simulations thermo-électro-mécanique incluant ce modèle, intègrent la dépendance en porosité et température des paramètres matériaux. Quatre cycles d’élaboration de poudre de nickel ont été réalisés avec différentes histoires de température. Les évolutions de la température et de la porosité calculées ont été confrontées avec des résultats expérimentaux. Des analyses post mortem sur des échantillons densifiés confortent la distribution de la température obtenue par le calcul. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives, notamment, la possibilité d’optimiser le procédé / Nowadays, Spark Plasma Sintering (SPS) is used to consolidate powders in a relative short time (few minutes). This process uses a pulsed high DC electrical current (few kA) which flows through the conductive part of the device and generates large heating rate mainly due to Joule effect. The application of an uniaxial pressure via punches combined with a rapid heating allow the production of near net shape specimen. The thermal electrical mechanical numerical simulation of SPS process is a powerful tool to capture in situ evolutions of temperature, porosity and stresses which are difficult to obtain in experiments. In this work, a new constitutive model is presented for the description of the behavior of porous medium. This model is based on original viscoplastic micromechanical models of the literature and modified in a heuristic manner to better reproduce the real densification of sintered material for porosity in the range [0;0,5]. The model has been implemented in ABAQUS software. A thermal electrical mechanical simulation of SPS is performed where the dependence of material parameters on temperature and porosity is taken into account. Four processing cycles of nickel have been conducted with different temperature histories. Calculated porosity and temperature evolutions are compared to experimental results. Post-mortem analyses of the material (grain size, yield stress) confirm the temperature distribution obtained by numerical simulations in the sample made of nickel. This simulation is seen to be able to capture experimental trends. The work will permit in a near future the optimization of the sintering conditions to reach prescribed properties

Le frittage est un phénomène physico-chimique excessivement complexe et gouverné par de nombreuses variables expérimentales. Nous souhaitions comprendre ce phénomène et identifier les variables expérimentales influençant les propriétés dun matériau ayant subi un cycle de frittage. Les variables expérimentales étant nombreuses et interagissant parfois entre elles, une approche multivariée du problème était indispensable afin de fournir un travail riche dinformations. Nous avons donc utilisé massivement des techniques dites de data-mining (planification expérimentale) afin de mettre en évidence les corrélations existantes entre les paramètres expérimentaux et les propriétés du matériau fritté.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 1997. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 212-220.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 170-178.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Contient des références bibliographiques.

Pour les applications aéronautiques, les fibres en céramique piézoélectrique à âme métallique permettent d'imaginer des solutions pour avoir des dispositifs actifs et des capteurs complétement intégrés dans des structures, telles que les composites renforcés par des fibres.La démarche de cette étude est d'élaborer et de caractériser de telles fibres qui présentent de nombreux avantages : l'activation en mode radial permet d'utiliser de faibles tensions de commandes, l'utilisation d'un cœur et d'une matrice conducteurs permet de s'affranchir du dépôt d'électrodes et de garantir leur continuité, la présence d'un coeur métallique améliore la résistance mécanique de la fibre, l'utilisation sous forme de fibres fines et longues permet de l'intégrer à des profils de formes complexes sur de grandes longueurs. Dans un premier temps, le procédé d'enduction est utilisé pour la réalisation de ces fibres en déposant des particules céramiques à base de titano-zirconate de plomb (PZT) sur des fils de platine. Le développement et l'optimisation d'un procédé multicouche permet de réaliser des fibres avec des épaisseurs parfaitement contrôlées pour obtenir les capacités de déformations optimales en alternant des cycles dépôt/traitement thermique avant une opération de frittage finale. La caractérisation d'échantillons massifs traités dans les mêmes conditions permet de s'assurer des propriétés piézoélectriques atteintes pendant les différents traitements thermiques. Les caractérisations électromécaniques réalisées sur les fibres permettent de vérifier le comportement en tant qu'actionneur et que capteur, bien qu'il s'avère difficile de remonter aux caractéristiques intrinsèques des fibres.Dans un second temps, une réflexion est menée sur les moyens à mettre en oeuvre pour envisager un développement à grande échelle de ce type de fibre. Dans ce sens, des expérimentations sur la mise en place du procédé continu de coextrusion avec un polymère chargé sont menées, de même que sur la réduction de la température de frittage à l'aide d'additifs pour substituer les fils en platine, mais aussi sur la réduction du temps de frittage à l'aide de techniques non conventionnelles comme le frittage laser et le frittage micro-ondes. Ces investigations ouvrent des pistes sérieuses pour imaginer une production continue de fibres piézoélectriques à âme métallique.Enfin, des travaux de modélisation par éléments finis du comportement de ces fibres, intégrées ou non dans une structure, permettent de mettre en évidence l'influence du dimensionnement des fibres sur les déformations résultantes, en fonction notamment de l'épaisseur du matériau actif déposée et des propriétés élastiques des différents éléments. Différentes configurations sont imaginées pour utiliser ces fibres dans des structures en tant qu'actionneur et capteur.