Processus de frittage courants pour les céramiques de carbure de silicium
1. Frittage par réaction
Le processus de frittage réactionnel du carbure de silicium commence par le mélange d’une source de carbone et de poudre de carbure de silicium. Après avoir formé le mélange par coulée en barbotine, pressage à sec ou pressage isostatique à froid, un corps cru est préparé. Ensuite, une réaction d’infiltration de silicium se produit en chauffant le corps vert au-dessus de 1 500 °C sous vide ou dans une atmosphère inerte. Le silicium solide fond en silicium liquide, pénétrant dans le corps vert par action capillaire. La réaction chimique entre le silicium liquide (ou vapeur de silicium) et le carbone dans le corps entraîne la formation in situ de β-SiC, qui se lie aux particules de SiC existantes, formant un matériau céramique de carbure de silicium fritté par réaction. Les facteurs clés influençant les performances du carbure de silicium fritté par réaction comprennent la taille et le type de source de carbone, la taille des particules des matières premières de carbure de silicium, la porosité du corps vert, la température de frittage et le temps de maintien. Les avantages du frittage par réaction comprennent une faible température de frittage, un faible coût de production et une densification élevée du matériau, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication de composants structurels de grande taille et de forme complexe. Les applications typiques incluent les matériaux de four à haute température, les tubes à rayonnement, les échangeurs de chaleur et les buses de désulfuration.
2. Frittage sans pression
Le frittage sans pression du carbure de silicium s'effectue sans application de pression externe. Des auxiliaires de frittage appropriés sont ajoutés et un frittage dense est obtenu entre 2 000 °C et 2 150 °C. Le processus peut être classé en frittage en phase solide et en frittage en phase liquide en fonction de la forme de l'auxiliaire de frittage. Le frittage en phase solide utilise B et C comme auxiliaires de frittage, avec d'autres options, notamment B4C + C, BN + C, BP + C, AlB2 + C. Le frittage en phase solide peut atteindre une densité élevée (3,10 - 3,15 g/cm³) sans intergranulaire. phase vitreuse, présentant d'excellentes propriétés mécaniques à haute température avec une température d'utilisation allant jusqu'à 1600°C. Cependant, si la température de frittage est trop élevée, cela peut entraîner une granulométrie plus importante et une résistance à la flexion réduite. Le frittage en phase liquide utilise certaines quantités d'oxydes multicomposants à faible eutectique comme auxiliaires de frittage, permettant une densification du SiC à des températures plus basses. Le processus aboutit à des grains équiaxes fins et uniformes, et l'introduction de phase liquide affaiblit la liaison d'interface, conduisant à une fracture transgranulaire complète et à une résistance et une ténacité considérablement améliorées. Le frittage sans pression du carbure de silicium est une technologie mature présentant des avantages tels que la possibilité d'utiliser divers processus de mise en forme, un faible coût de production et la capacité d'obtenir une résistance et une ténacité élevées avec les additifs appropriés. Les produits industriels typiques comprennent, entre autres, des bagues d'étanchéité résistantes à l'usure et à la corrosion, des paliers lisses.
3. Frittage à chaud
Le frittage par pressage à chaud consiste à remplir de poudre de carbure de silicium séchée dans un moule en graphite à haute résistance. L'application simultanée d'une pression axiale et d'un chauffage dans des conditions de pression-température-durée contrôlées entraîne le frittage et le façonnage du carbure de silicium. Le processus bénéficie de l’application simultanée de chaleur et de pression, où la poudre est dans un état thermoplastique, facilitant les processus de contact, de diffusion et de transfert de masse des particules. Ce procédé permet de produire des céramiques de carbure de silicium présentant des grains fins, une densité relative élevée et d'excellentes propriétés mécaniques à des températures de frittage plus basses et des temps de frittage plus courts. Cependant, la complexité des équipements et des processus, les exigences élevées en matière de matériaux de moulage, l'applicabilité limitée aux pièces de forme simple, la faible efficacité de production et les coûts de production élevés constituent des inconvénients notables. Cette méthode convient donc principalement à des applications spéciales.
4. Frittage par pressage isostatique à chaud (HIP)
HIP consiste à soumettre des matériaux (poudres, corps verts ou corps frittés) à une pression équilibrée pendant le processus de chauffage, en utilisant des gaz inertes tels que l'argon ou l'azote comme fluide de transmission de pression. La combinaison de haute température et haute pression favorise la densification. La technologie HIP peut produire des matériaux totalement homogènes, microstructurellement uniformes, à grains fins et entièrement denses à des températures de frittage plus basses et des durées plus courtes. Il convient à la préparation de produits de forme complexe, en particulier lorsque de faibles besoins en poudre sont essentiels pour la préparation de céramiques nanoparticulaires. La technologie permet un contrôle précis des dimensions finales du produit, nécessitant un post-traitement minimal ou permettant même une utilisation directe sans traitement supplémentaire. Cependant, le frittage HIP se caractérise par d’importantes barrières à la technologie d’encapsulation, ainsi que par des coûts d’investissement et d’exploitation élevés, limitant son application généralisée.
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