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Frittage et Lasers : Applications, Innovation et Recherche (FLAIR)

Cette plateforme est issue de la fusion de deux plate-formes existantes, la plate-forme Lasers au Creusot et la plateforme de Frittage à Dijon qui mettent en œuvre des procédés impliquant une source de chaleur intense (laser et courant électrique) dont les phénomènes physiques impliqués sont très proches. Cette plate-forme permettra par une mise en commun des compétences et des outils (expérimentaux, simulations) de répondre par l’innovation à des travaux de recherche, de R&D et de transfert dans le domaine de la métallurgie incluant la métallurgie des poudres, les applications des lasers de puissance et la science des matériaux. Les principaux secteurs d’activités sont le nucléaire (PNB), la défense (DGA), l’aéronautique, les transports.

Frédéric BERNARD

Responsable

frederic.bernard[at]u-bourgogne.fr
Tél : 03 80 39 61 25

Plateau frittage / Dijon

SPS

Nous disposons de deux machines de frittage flash ou SPS (Spark Plasma Sintering). Ce procédé pertinent permet la densification de tout type de matériaux pulvérulents (métaux, céramiques, composites, …). Nos machines permettent de soumettre l’échantillon à un courant électrique de forte intensité (typiquement 0-10V, 1-30 kA) tout en appliquant une pression de plusieurs dizaines de MPa et, ceci, dans une gamme de température variant de l’ambiante jusqu’à 2400°C.

  • HPD-125 (Fabricant : FCT Systeme GMbH) ø = 30mm – 160mm, h = 60 – 80mm, 2400°C, 1250kN, 600°C/min, vide, atmosphère neutre (argon, azote), atmosphère réductrice (hydrogène)
  • HPD-10 (Fabricant : FCT Systeme GmbH, Modèle : HPD 10) ø = 8mm-40mm, h=30-50mm, 2400°C, 100kN, 400°C/min, vide, atmosphère neutre (argon, azote)

Contact : S. Le Gallet, F. Bernard

Les Presses de frittage flash sont destinées à la mise en forme de poudres et/ou à l’assemblage de tous types de matériaux. Les objectifs visés sont des applications industrielles et/ou des études de compréhension des phénomènes de consolidation et/ou aux interfaces.

La technologie permet de soumettre l’échantillon à des pulses de courant électrique tout en appliquant une charge uniaxiale et ceci dans une gamme de température variant de l’ambiante à 2400°C. Les échantillons traités peuvent avoir, pour les plus petites machines, un diamètre variant de 5 à 50 mm et, peuvent atteindre 400 mm pour des équipements industriels. Les expériences sont généralement réalisées sous vide mais il est cependant possible de travailler sous atmosphère contrôlée (argon, azote, hydrogène)

La plateforme de frittage flash compte deux installations, de marque FCT systeme, de frittage flash, une de petite dimension dite de recherche, et une autre de plus grande dimension dite de développement.

Les fonctions communes à nos équipements sont les suivantes :

  • Régulation servo-hydraulique des forces
  • Mesure de la course et de la vitesse de compression
  • Enceinte de vide en acier spécial double paroi, refroidie à l’eau
  • Mesure et régulation de la température au choix par des pyromètres placés dans le sens axial et/ou radial, et/ou par des thermocouples mobiles
  • Paramètres de frittage librement programmables avec jusqu’à 45 segments par recette
  • Impulsion on / off programmable de manière variable (1…255 ms) séparément pour chaque segment
  • Logiciel complet pour l’enregistrement des données et l’analyse de tous les paramètres de frittage
  • Force de compression : 20…1250 kN
  • Course du piston : 0…150 mm
  • Vitesse de déplacement des pistons: 0…2 mm/s
  • Diamètre max des échantillons Ø : 150 mm
  • Dimensions max des moules : Ø 350 x 400 mm
  • Température max : 2400 °C
  • Rampe de température max : 5…1000°C/min (selon dimension de l’outillage et température visée)
  • Vide dans l’enceinte : 5 x 10-2 mbar
  • Pression : 0-1100 mbar
  • Débit d’eau du système de refroidissement (4 bar) : 8 m3/h
  • Tension max : 8 V
  • Intensité max : 24000 A
  • Puissance max : 37 kW
  • Pulse durée ON: 1…255 ms
  • Pulse durée OFF: 0…255 ms
  • Nombre de pulse : 1…255
  • Extra Pause : 0…255 ms
  • Dimensions de l’équipement (w/d/h) : 5000 x 2000 x 3200 mm
  • Poids : approx. 5000 kg
  • Spécificité électrique : 3 x 400 V, 50 Hz, 300 kVA
  • Atmosphère de travail : Ar et N2 ou H2 pur (spécifique à l’équipement)
  • Régulation : Pyromètre axial, radial, thermocouple K ou thermocouple S avec la possibilité d’avoir 10 points de mesure en simultanés (spécifique à notre équipement)
  • Force de compression : 20…100 kN
  • Course du piston : 0…100 mm
  • Vitesse de déplacement des pistons: 0…2 mm/s
  • Diamètre max des échantillons Ø : 40 mm
  • Dimensions max des moules : Ø 120 x 100 mm
  • Température max : 2400 °C
  • Rampe de température max : 5…400°C/min
  • Vide dans l’enceinte : 5 x 10-1 mbar
  • Pression : 20-60 mbar
  • Débit d’eau du système de refroidissement (4 bar) : 2.5 m3/h
  • Tension max : 7.2 V
  • Intensité max : 5500 A
  • Puissance max : 37 kW
  • Pulse durée ON: 1…255 ms
  • Pulse durée OFF: 0…255 ms
  • Nombre de pulse : 1…255
  • Extra Pause : 0…255 ms
  • Dimensions de l’équipement (w/d/h) : 1000 x 800 x 2200 mm
  • Poids : approx. 1000 kg
  • Spécificité électrique : 3 x 400 V, 50 Hz, 45 kVA
  • Atmosphère de travail : Ar et N2
  • Régulation : Pyromètre axial ou thermocouple K

CIC

Nous disposons également d’une machine de compression isostatique à chaud (CIC) qui permet d’obtenir des matériaux massifs de formes complexes à partir de poudres métalliques ou céramiques en appliquant une forte pression d’argon. Ce dispositif permet aussi d’assembler des parties massives de nature différente par soudage diffusion. Les rampes en pression et en température peuvent être sélectionnées de manière indépendante

HIPress : QIH 15L (Avure), dimensions de l’enceinte : ø = 186 mm, h = 500 mm, montée en température jusqu’à 2000°C (vitesse de montée jusqu’à 50°C/min), en pression jusqu’à 2000 bars.

Contact : J-P. Chateau-Cornu, F. Bernard

Broyeur planétaire

La mécano-synthèse est l’opération qui permet de réaliser la synthèse d’un alliage au sein d’un broyeur grâce à une succession d’opérations de fractures et de soudures. Malheureusement, ce broyage mécanique nécessite des temps de broyage élevés conduisant à la contamination de la poudre par les outils de broyage. Toutefois, il est possible de réaliser une activation mécanique via l’utilisation de broyages de haute énergie de courte durée (P4, Fritsch), elle permet de produire des agrégats ou des agglomérats nanostructurés. Ainsi, pour obtenir l’alliage désiré, il conviendra d’appliquer un traitement thermique au mélange de poudres mécaniquement activées. Cette activation mécanique permettra de réduire les températures de recuit et de frittage en raison de la diminution de la taille des grains mais aussi de l’accumulation de défauts.

  • Broyeur Planetaire P4 (Fritsch), Jarres de 12 mL à 500 mL, Vitesse de rotation de 0 rpm à 400 rpm

Contact : F. Bernard

Plateau technique lasers et assemblages / Le Creusot

La halle laser de l’ICB localisée au Creusot met en œuvre des procédés laser (soudage, découpe, marquage), ainsi que des procédés de soudage à l’arc plus conventionnels.

Le savoir-faire acquis depuis 25 ans a permis de développer une approche pluridisciplinaire (thermique, hydrodynamique, mécanique, métallurgique, physico-chimique) et multi-échelle, permettant d’appréhender les phénomènes qui interviennent lors de l’interaction du faisceau énergétique avec la matière, et les effets induits par cette interaction.

L’activité couple les aspects expérimentaux :

  • optimisation des procédés (plans d’expériences)
  • instrumentation du procédé (imagerie rapide, thermométrie, thermographie, corrélation d’images DIC, caractérisations physico-chimiques et mécaniques)

avec des simulations numériques multi-physiques :

  • thermo-hydraulique : modélisation du soudage laser en mode keyhole (formation du capillaire, etc.) / modélisation des couplages électromagnétiques en soudage à l’arc
  • thermomécanique : modélisation de la formation des contraintes dans les assemblages

afin de comprendre les phénomènes et de maîtriser leurs conséquences, pour répondre aux interrogations scientifiques mais aussi aux problématiques industrielles.

Le plateau dispose de plusieurs sources lasers dont :

  • TRUMPF TRUDISK 6001 : laser Yb-YAG (1030 nm) continu d’une puissance maximale de 6 kW (fibre de 100 µm au minimum), utilisé en soudage
  • TRUMPF HL304P : laser Nd-YAG (1064 nm) pulsé d’une puissance moyenne maximale de 330 W (9 kW crête), notamment utilisé pour la découpe
  • ROFIN SLM40D : laser Nd-YAG (1064 nm) pulsé d’une puissance moyenne maximale de 40 W (61 kW crête), utilisé pour le marquage

ainsi que de procédés de soudage conventionnels : dont TIG, MIG et CMT (Cold Metal Transfer).

Au niveau calcul numérique, il s’appuie principalement sur les logiciels commerciaux COMSOL, ABAQUS et ANSYS.

L’articulation avec le monde socio-économique se fait via la SATT SAYENS.

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