V předložené diplomové práci bylo studováno slinování hexagonálního Al2O3 a kubického MgAl2O4 pomocí slinovacích cyklů složených z beztlakého předslinutí metodou dvojstupňového slinování s následným doslinutím s využitím tlaku (HIPováním). Cílem bylo pokusit se snížit (při zachování vysoké dosažené hustoty) střední velikost zrn a tím zvýšit tvrdost keramiky popř. optickou transparenci. Hlavní úsilí bylo věnováno optimalizaci předslinutí pomocí různých slinovacích cyklů. Přestože bylo vyzkoušeno velké množství různých kombinací teplot a prodlev dvojstupňového slinování, nepodařilo se výrazným způsobem zvýšit výslednou tvrdost vzorků. V případě kubického MgAl2O4 bylo dosaženo hustot blížících se teoretické hustotě, což se projevilo v optické transparentnosti vzorků.

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Ce travail de recherche porte sur l'élaboration de céramiques transparentes de CaLa₂S₄ pour la réalisation d'optiques MWIR et LWIR. Différentes méthodes de synthèse de poudres ont été explorées afin d'élaborer des poudres céramiques de grande pureté, cubiques et de morphologie adaptée à la densification. Il en a résulté le développement d'une méthode combustion comme nouvelle voie de synthèse de ce matériau. Différentes techniques de frittage ont été explorées : le SPS, le pressage à chaud (HP) et le frittage sous sulfure d'hydrogène (H₂S) suivi d'un post-frittage HIP. Le pressage à chaud permet d'élaborer des céramiques transparentes dans l'IR. Cependant leurs propriétés optiques sont dégradées par la présence de bandes d'absorption et par un noircissement important dû à l'interaction du matériau avec le graphite. Ces deux problématiques ont été résolues en combinant frittage naturel et compaction isostatique à chaud. La transmission des céramiques obtenues par ce procédé atteint à 13µm la transmission théorique de 68%. / This work focuses on the elaboration of CaLa₂S₄ transparent ceramics for IR optical applications in the MWIR and LWIR atmospheric windows. Various synthesis methods were explored for the elaboration of high purity cubic ceramic powders with adequate morphology for densification. As a result, we developed an innovative combustion method of this material. Different sintering techniques were investigated: Spark Plasma Sintering (SPS), Hot Pressing (HP) and Sintering in sulfurizing atmosphere (H₂S) combined to Hot Isostatic Pressing (HIP). Hot Pressing produces IR transparent ceramics. However, their optical properties are affected by the presence of absorption bands and significant blackening due to the interaction of the material with the graphite. These two issues have been solved by using sintering coupled to post-HIP. Transmission of the optics obtained by this process reaches the theoretical transmission of 68 % at 13μm.

Un nouveau concept d'échangeur de chaleur compacte est développé afin d’améliorer les performances du système de conversion d'énergie pour le réacteur ASTRID. La fabrication de géométries complexes (canaux rectangulaires millimétriques) est possible grâce au procédé de soudage diffusion : des tôles rainurées en acier inoxydable 316L sont empilées en conteneur et soudées lors d'un cycle de Compaction Isostatique à Chaud (CIC). La problématique est alors d'obtenir des interfaces résistantes tout en limitant la déformation des canaux nuisible à l’efficacité de l’échangeur. Pour arriver au meilleur compromis, les travaux de cette thèse vont aider à l’optimisation des paramètres pression/temps/température du cycle de CIC.Le premier axe de travail porte sur la simulation numérique de la déformation d’un tel échangeur lors de la CIC. L’influence des paramètres numériques (taille des éléments, critère de convergence) a été étudiée afin d’optimiser la précision et la vitesse des calculs. Les simulations ont mis en évidence l’importance des défauts d’empilements de la structure (glissements et ondulations des tôles) dans l’augmentation de la déformée de l’échangeur. Puis une caractérisation mécanique poussée des tôles laminées a mené à l’identification d’une loi de comportement entre 20°C à 1040°C.Le second axe porte sur la modélisation de l'évolution des interfaces lors du soudage diffusion et la prédiction de la tenue mécanique de ces dernières, l'ensemble pouvant mener à la définition d'un critère de validité des interfaces.Une étude microstructurale et mécaniques des interfaces a permis d’établir une corrélation entre la tenue mécanique d’un joint soudé-diffusé et son taux de surface soudée. En effet, la disparition de la porosité résiduelle est le critère principal pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques à l’interface. Toutefois, le franchissement de l’interface par les joints de grains, est nécessaire pour retrouver les propriétés des tôles laminées. Un modèle analytique de fermeture des porosités (Hill et Wallach) est utilisé pour calculer le taux de surface soudée d’une interface en fonction des paramètres du cycle de CIC en modélisant la contribution des mécanismes (visco)plastique et diffusifs (en surface et au joint). Associé à la corrélation entre tenue mécanique et taux de surface soudée, il permet de proposer un outil prédictif pour la tenue mécaniques des interfaces soudé-diffusées. / A new concept of compact plate heat exchanger is developed for the energy conversion system performances of the ASTRID reactor. Manufacturing the complex geometry is possible by a diffusion-welding process: engraved 316L stainless steel plates are stacked and bonded during a Hot Isostatic Pressing cycle (HIP). The problematic is to get strong interfaces without deforming the channels which is harmful for the exchanger efficiency. To reach a good compromise, this thesis work will help to optimize the HIP parameters (pressure/temperature/ time).The first line of work is about the simulation of the heat exchanger deformation along manufacturing process. The influence of numerical parameters (elements size, convergence criterion) was studied to optimize the accuracy and the calculation time. Simulations have shown the importance of structure stack faults (sliding and plate ripples) in the increase of exchanger deformation. Then, a mechanical characterisation of plates was carried out to identify the constitutive equation between 20°C and 1040°C.The second line is about the interface modelling along welding and the prediction of their mechanical strength, as a whole can lead to the definition of an interface acceptability criterion. A microstructural and mechanical study has enabled to correlate the mechanical strength of a diffusion-bonded junction and its bonded area. Indeed, residual porosity disappearance is the main criterion to get good interfaces mechanical strength. However, the grain boundary migration is required to reach the rolled material properties. A void closure analytical model (Hill and Wallach) was used to estimate the bonded area of an interface according to HIP cycle parameters by modelling the contribution of (visco)plastic and diffusion (surface and boundary) mechanisms. Associated with the correlation between mechanical strength and the fraction of bonded area, it enables to propose a predictive tool for the mechanical strength of diffusion-bonded interfaces.

Les échangeurs compacts à plaques soudés-diffusés sont une solution prometteuse dans de nombreux domaines (nucléaire, (pétro-)chimie, solaire…) du fait de leurs performances. Ils sont envisagés pour le système de conversion d’énergie du réacteur nucléaire ASTRID. Pendant le soudage CIC, la problématique est double: maîtriser la déformation des canaux et l’évolution microstructurale du matériau tout en obtenant des interfaces résistantes. Cette thèse s’intéresse à la compréhension et à la maîtrise de la microstructure des assemblages pour définir des critères « procédé » permettant l’obtention d’interfaces non marquées par le procédé et le maintien d’une taille de grains fine. Après une caractérisation approfondie de leur surface et de l’évolution au chauffage de leur microstructure, le comportement au soudage de tôles en acier austénitique 316L a été étudié en faisant varier les paramètres liés au procédé (température et pression de soudage) et au format des tôles (épaisseur, état de surface…). Les résultats montrent que la formation de l’interface est associée à des mécanismes de croissance de grain classiques avec un ancrage interfacial plus ou moins marqué selon les caractéristiques des surfaces. Les propriétés mécaniques des assemblages ont été testées afin de déterminer la nocivité des défauts rencontrés. Si les pores constituent le défaut le plus pénalisant, l’influence d’autres hétérogénéités a été mise en évidence. Les étapes de formation des interfaces ont ensuite été identifiées par la réalisation de cycles de soudage interrompus. L’intérêt d’une approche numérique par la méthode Level-Set pour simuler les évolutions microstructurales est finalement discuté. / Compact diffusion bonded heat exchangers are an attractive option in many fields (nuclear, (petro-)chemistry, solar…) due to their performance. This type of concept is especially intended for manufacturing the energy conversion system of the ASTRID reactor. During diffusion bonding by HIP, the problem is twofold: the channel deformation and microstructure evolution must be controlled, while at the same time, highly resistant interfaces are desired. This thesis is focused on the understanding and the control of the bonded components microstructure prepared by HIP in order to define « process » criteria to achieve welds in agreement with specifications of components containing fluidic channels: interfaces unaffected by the process and small grain size. After a detailed characterization of their surface and microstructural evolution during heating, the behavior of AISI 316L austenitic steel sheets has been examined in a parametric study by varying the parameters related to process (diffusion bonding temperature and pressure) and welding material (thickness, surface finish…). The results show that the interface formation is driven by conventional grain growth mechanisms with an interfacial pining more or less marked depending on surface characteristics. The mechanical properties of assemblies have been tested to determine the influence of defects. Though pores are the most critical default, the influence of other heterogeneities has also been highlighted. The different steps of bond formation have been identified by performing interrupted diffusion bonding test. The interest of modeling approach by Level-Set method to simulate microstructure evolution has been finally discussed.

This diploma thesis is concerned with improving the mechanical properties of aluminium castings produced using investment casting technology by HIP (Hot Isostatic Pressing). Comparing the mechanical properties of separately casted test bars and integrally casted test bars for individual types of production. It was demonstrated that HIP technology has a positive effect on mechanical properties of castings, especially for ductility.

Ces travaux ont porté dans un premier temps sur la mise en forme et l’étude de la densification de céramiques transparentes de YAG:Nd de grandes dimensions. Le choix des paramètres de coulage sous pression et de compaction isostatique à froid ont permis de contrôler les dimensions et la microstructure des pièces crues élaborées. Le frittage sous vide de ces céramiques a cependant conduit à une hétérogénéité microstructurale entre le coeur et le bord des échantillons. Plus particulièrement, des pores résiduels ont été détectés au coeur des céramiques, altérant les propriétés optiques. Des post-traitements HIP (Hot Isostatic Pressing) ont alors été mis en oeuvre pour mieux contrôler la microstructure des céramiques. Cette voie a démontré son efficacité pour réduire en nombre et en taille les pores résiduels, avec cependant certaines limites concernant notamment la réoxydation des céramiques de grandes dimensions. Finalement, les céramiques élaborées ont montré des performances laser proches de celles des monocristaux de même composition.Dans un second temps, un procédé de coulage en bande pour l’élaboration de céramiques transparentes de YAG multicouches a été développé. Plus particulièrement, un travail original a été mené sur l’étude de l’influence de la formulation des suspensions sur les propriétés mécaniques des bandes céramiques crues. Cette étude a ainsi permis d’élaborer des bandes pouvant être ultérieurement manipulées et transformées. Une céramique multicouche avec une bande centrale dopée en ion Nd3+ d’épaisseur contrôlée a alors pu être mise en forme par thermocompression de bandes de différentes compositions (YAG et YAG:Nd). Après déliantage et frittage, une céramique transparente de type « guide d’onde planaire » a finalement été obtenue. / The first step of this work was focused on the shaping and sintering of large sized Nd:YAG transparent ceramics. The choice of the pressure casting and cold isostatic pressing parameters allowed to control the thickness and the microstructure of the green bodies. However, vacuum sintering of these parts led to a microstructural heterogeneity between the core and the edge of the samples. More particularly, residual pores have been detected in the core of the ceramics, decreasing the optical properties. Then, HIP (Hot Isostatic Pressing) post-treatments were implemented to control the ceramics microstructure. This route helped to reduce the number and size of residual pores. But limitations appeared, especially concerning the large ceramics. Finally, the obtained ceramics showed laser performances close to those of the single crystals of same composition.The second part was devoted to the development of a tape casting process for the elaboration of YAG multilayered transparent ceramics. More particularly, the influence of the slurry formulation on the mechanical properties of the green tapes was studied. This original work allowed the shaping of green tapes with good mechanical properties and a controlled organic content. Then, a multilayered ceramic with a central Nd-doped layer could be elaborated by thermolamination of layers with different compositions (YAG and YAG: Nd). After debinding and sintering, a transparent ceramic planar waveguide was finally obtained.

For many metal components the presence of hard, non-metallic inclusions such as oxides lowers the impact toughness by acting as fracture initiation points and easing crack propagation. In components produced by powder metallurgy hot isostatic pressing (PM HIP), oxides often form a continuous network of small, spherical inclusions after consolidation at the prior particle boundaries (PPB). It is therefore of great importance to reduce surface oxides before consolidation in order to improve mechanical properties. In this work, oxides were attempted to be reduced directly prior to the consolidation of one tool steel and one low-alloy steel by introducing H2 into sealed PM HIP capsules. The two H2-carriers were hollow glass microspheres and the compound ammonia borane (H3NBH3). The H2-carriers were placed separately from the metal powder. Microspheres were filled at 300 °C with a gas mixture at 675 bar resulting in a storage capacity of 0.16 wt%. Gaseous species released from the H2-carriers during heating were analysed by mass spectrometry. Results showed that the microspheres only release H2 while ammonia borane in addition releases other nitrogen and boron containing species. Impact testing as well as chemical and microstructural analysis were performed on the two consolidated materials with samples retrieved from different vertical and radial positions. Both H2-carriers had leaked into the material resulting in decreased impact toughness compared to the reference. Further from the source of the contaminants, oxygen content was reduced and impact toughness was improved. Microspheres showed overall better reduction ability even though they release less hydrogen compared to ammonia borane. Impact toughness was not improved as much with ammonia borane even though similar oxygen levels were achieved. Ammonia borane’s decomposition products likely obstruct the oxide reduction or introduce new inclusions lowering the impact toughness. / Det är för många metallkomponenter viktigt att så mycket som möjligt undvika hårda, icke metalliska inneslutningar. Detta eftersom de sänker slagsegheten genom sprickinitiering men även genom att underlätta spricktillväxt. Ytoxider i komponenter tillverkade genom pulvermetallurgisk het-isostatisk pressning (PM HIP) bildar ofta ett kontinuerligt nätverk av små, sfäriska inneslutningar efter konsolidering vid de tidigare partikelgränserna. Det är därför viktigt att reducera ytoxider före konsolidering för att förbättra de mekaniska egenskaperna av komponenter tillverkade genom PM HIP. I detta examensarbete har ytoxider reduceras direkt före konsolidering av ett låglegerat stål och ett verktygsstål genom att tillsätta H2 i de förseglade PM HIP kapslarna. Två vätgasbärare testades, ihåliga mikrosfärer av glas och ammoniak boran (H3NBH3). Vätgasbärarna var placerade i ett område avskilt från metallpulvret. Mikrosfärerna fylldes med en gasblandning vid 675 bar och 300 °C vilket resulterade i en lagringskapacitet på 0.16 vikt%. Gaser som frigjordes från vätgasbärarna vid uppvärmning analyserades med en masspektrometer. Resultatet visade att mikrosfärerna bara frigör H2 medan ammoniak boran också frigör andra ämnen innehållande kväve och bor. Slagprovning och analys av mikrostruktur samt syre- och kvävehalter utfördes på de två konsoliderade materialen med prover från olika vertikala och radiella positioner. Båda vätgasbärarna hade läckt in i materialet vilket resulterade i minskad slagseghet jämfört med referensmaterialet. Längre från vätgasbärarnas ursprungsposition var slagsegheten bättre och syrehalten lägre. De vätgasfyllda mikrosfärerna uppvisade överlag bättre förmåga att minska syrehalten trots att de innehöll mindre H2 jämfört med ammoniak boran. Slagsegheten förbättrades inte lika mycket med ammoniak boran trots att liknade syrenivåer uppmättes. Ammoniak boranets pyrolysprodukter förhindrar möjligtvis oxidreduktionen eller introducerar nya inneslutningar som resulterar i en försämrad slagseghet.