Caratérisation et modélisation thermo-mécaniques des assemblages métal-céramique élaborés par thermocompresion

Abstract

On a souvent recours à des assemblages métal-céramique pour des systèmes complexes couplant les propriétés, souvent opposées, des alliages métalliques et des céramiques. Les besoins industriels pour de hautes températures d utilisation, en milieu corrosifs, restent toujours difficiles à satisfaire de façon fiable. Deux céramiques techniques industrielles ont été retenues pour cette étude : le carbure de silicium SiC et l alumine Al2O3. Elles ont été assemblées à un superalliage de Nickel réfractaire (HAYNES 214®), selon le procédé de thermo-compression sous vide, par l intermédiaire d un joint métallique de faible épaisseur. La forte réactivité du SiC avec le nickel a conduit à rechercher une barrière de diffusion entre l alliage et la céramique. Un joint d argent ne formant aucun siliciure a permis d éviter cette réactivité et a conduit ainsi à des tenues mécaniques en cisaillement significatives (45 MPa). Pour l alumine (Al2O3), nous nous sommes orientés vers l utilisation de joints de nickel, peu réactif avec cet oxyde. Cependant la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique (Al2O3) et les métaux (Ni et HAYNES 214®) conduit à de fortes concentrations de contraintes résiduelles à l interface. Une simulation par éléments finis, en utilisant le code ABAQUS, a permis de localiser le champ de contraintes résiduelles dans ce type d assemblage. Une comparaison entre un calcul élasto-plastique et un calcul élasto-visco-plastique a été réalisée. La distribution des contraintes est sensible à l épaisseur du joint de nickel ainsi qu aux dimensions et formes respectives de l alliage et de la céramique. Il a ainsi été montré que le calcul asto-visco-plastique est indispensable pour caractériser la liaison Al2O3/Ni/HAYNES 214®, contrairement à des liaisons Al2O3/Ni/Al2O3 étudiées plus classiquement. De plus, les contraintes de tension dans la céramique sont beaucoup plus importantes pour l assemblage alumine/alliage métallique que pour l assemblage alumine/alumine. Ceci est retrouvé expérimentalement par les résultats de caractérisation mécanique (cisaillement, délamination) de ces deux types d assemblage et par des mesures expérimentales de contraintes résiduelles par indentation et par diffraction des rayons X. La fragilisation de l alumine près de l interface est un phénomène connu dû essentiellement à la diffusion du métal de liaison et au frottement entre le joint métallique et l alumine. Une corrélation entre la ténacité, l intensité des contraintes résiduelles et le piégeage de charges électriques a été montrée. Enfin, l étude de joints multicouches Cu-Ni-Cu a permis d accommoder les contraintes et d améliorer la résistance de l assemblage Alumine/HAYNES 214®. De plus, la préoxydation des joints de cuivre côté alumine, reproduisant ainsi la méthode de l eutectique, ouvre une voie quant à une utilisation des assemblages pour de hautes températures (> 1200 C) et l industrialisation du procédé pour de grandes séries.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF