Projet Galluminium

Transcription

1 Projet Galluminium «Utilisation du gallium pour un nouveau procédé d assemblage de l aluminium» F. Christien Colloque MatEtPro Ecole Centrale de Nantes - 16 octobre 2013

2 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

3 Partenaires LGMPA EA Université de Nantes Devenu IMN (Institut des Matériaux Jean Rouxel, CNRS) au 1 er janvier 2012 Batscap - Quimper Batteries et supercondensateurs Liebherr Aerospace - Toulouse Systèmes de conditionnement d air pour l aéronautique (échangeurs) Montants Projet Galluminium Embauchés Edouard Ferchaud Septembre 2007-Mars 2008 : embauché sur fonds propres du LGMPA Mars 2008 Mars 2011 : CDD dans le cadre du projet Galluminium Soutenance de thèse le 29 octobre 2010 à Nantes Mars 2011 Août 2011 : ATER Université de Nantes Depuis février 2012 : Ingénieur Méthodes Brasage chez SNECMA (CDI)

4 Projet Galluminium Matériau : aluminium non-allié (série 1000) Procédé utilisé actuellement : soudage laser Batscap Quimper Batteries et supercondensateurs charbon actif Tenue mécanique médiocre et mauvaises conductivités thermique et électrique Nécessité d un chauffage local Liebherr Aerospace Toulouse Systèmes de conditionnement d air pour l aéronautique (échangeurs) Matériau utilisé : Aluminium séries 3000 (Mn) et 6000 (Mg-Si) Procédé utilisé actuellement : brasage sous vide Métal d apport : alliage Al-Si (série 4000) Mise en œuvre «difficile» et coûteuse LGMPA EA Université de Nantes Métallurgie, soudage, brasage, endommagement, métallurgie physique, diffusion

5 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

6 Introduction Brasage Assemblage de pièces, surtout métalliques, par mouillage d un métal d apport sans qu il y ait fusion du métal de base Brasage diffusion Métal de base Métal d apport Métal de base Brasage dans lequel le métal d apport diffuse en phase solide dans le métal de base permettant ainsi la disparition du joint et de meilleures caractéristiques mécaniques

7 Introduction Couche d alumine non mouillable Aluminium Métal d apport Flux décapants Aluminium Fours sous vide ou à atmosphère contrôlée, après décapage Températures de brasage élevées (brasage fort) Procédés lourds et coûteux à mettre en œuvre (traitement des résidus de flux, mise sous vide des fours, contrôle très précis de la température )

8 Température ( C) Introduction Pourquoi le gallium? Comportement «agressif» envers l alumine Point de fusion : 29,8 C Bonne 0 solubilité dans 30 l aluminium, jusqu à 20% massique ,89 C (Al) 100 ~ 20% % atomique 26,6 C (Ga) Al Ga L % massique 99,2% 29,78 C Avantages attendus Brasage sans flux, à l air ambiant Faible température de brasage

9 Introduction Fragilisation par les métaux liquides Pénétration intergranulaire du Ga liquide Gallium liquide Paramètres influents : Les contraintes internes 2 La quantité de gallium 3 La température 4 2 CHOI P.K. Materials Science and Engineering A, CHANG C.C. Journal of Alloys and Compounds, ROQUES-CARMES C. Mémoires scientifiques de la revue de Métallurgie, 1973

10 Introduction Fragilisation par les métaux liquides Influence de la température 4 Diffusion du gallium en solution solide à partir de ~ 200 C Brasage à partir de 200 C 4 ROQUES-CARMES C. Mémoires scientifiques de la revue de Métallurgie, 1973

11 Introduction Objectif : Étudier la faisabilité de ce procédé d assemblage Comment déposer le gallium sur l aluminium? Quelle est l ampleur de la pénétration intergranulaire du gallium? Quels sont les paramètres influant sur la résistance du joint? Quelle est la résistance du joint? Quels sont les mécanismes de formation du joint?

12 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

13 a) MATÉRIAUX UTILISÉS Aluminium 1050-O Gallium pur à 99,9999% Dimensions 40x10x4 mm Contrainte de rupture en traction Température de fusion 29,8 C 5 Surfusion même en-dessous 0 C 75,5 MPa En cisaillement 51 MPa États de surface État brut, poli 1200, poli 1 µm 5 BOSIO L. Physical Review Letters 35, 1975

14 b) MODE OPÉRATOIRE DU DÉPÔT Dépôt par polissage Utilisation d une polisseuse manuelle 1. Ga sur un feutre de polissage 2. Température de C 3. «Polissage» de l éprouvette pendant 10 secondes

15 c) DESCRIPTION DES ASSEMBLAGES Mode opératoire 1. Mise en place des éprouvettes revêtues 2. Cale pour répartir l effort 3. Serrage des éprouvettes Pression proche de la limite élastique 1050-O 4. Traitement thermique de brasage Assemblage à clin Surface de contact ~ 100 mm²

16 c) DESCRIPTION DES ASSEMBLAGES Caractérisation Mécanique Tests mécaniques effectués en traction-cisaillement F α Contrainte de rupture en traction équivalente Modèle de Von-Mises F σ F τ avec S j la surface brasée (~ 100 mm²) F

17 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

18 a) CARACTÉRISATION DE LA SURFACE REVÊTUE Morphologie Observation au MEB Trois zones Pénétration du gallium aux joints de grains Résidus d oxydes issus du décapage de la couche d alumine Zones «propres» µm

19 % masse a) CARACTÉRISATION DE LA SURFACE REVÊTUE Zones «propres» - Gallium (Auger) Profil de concentrations 100 Auger V. BARNIER et K. WOLSKI de l ENS des Mines de Saint-Étienne 80 Ga pur (~ 5 nm) 60 % masse Ga % masse Al Al-Ga (~ 70 nm) %Ga avec la profondeur Aluminium (substrat) Profondeur d'abrasion (nm)

20 % masse O à 20 kv Epaisseur équivalente Al 2 O 3 (nm) a) CARACTÉRISATION DE LA SURFACE REVÊTUE Zones «propres» - Oxygène (EDX) Évolution de la quantité d oxyde Avant dépôt Après dépôt Décapage systématique de la couche d oxyde État brut Poli 1200 Poli 1 µm 0

21 Coups/s % masse a) CARACTÉRISATION DE LA SURFACE REVÊTUE Zones «propres» - Oxygène (Auger) Spectres Auger % masse Ga % masse Al Présence 80 d un film d alumine (~ 2 nm) audessus de la couche de gallium Diffusion Al dans Ga lors du dépôt Oxydation instantanée à l air Al métal 1391 ev 0 nm 1,75 nm 3,5 nm Profondeur d'abrasion (nm) Al oxydé 1386 ev Film contenant Al en extrême surface Analyse des spectres Auger Énergie

22 b) GALLIUM DANS L ÉPAISSEUR DE L ÉPROUVETTE Éprouvette revêtue en coupe Surface revêtue Volume des grains (diffusion du Ga?) 50 µm Joints de grains (pénétration intergranulaire du Ga?)

23 % masse Ga b) GALLIUM DANS L ÉPAISSEUR DE L ÉPROUVETTE Dans les joints de grains (EDX) µm Distance (µm)

24 Epaisseur du film de gallium (nm) b) GALLIUM DANS L ÉPAISSEUR DE L ÉPROUVETTE Dans les joints de grains (EDX) Film de Ga < 100 nm Surface revêtue Pénétration intergranulaire sur ~ 500 µm Echantillon 1 Echantillon 2 Echantillon µm Profondeur du joint de grains (µm)

25 BILAN Al 2 O 3 (~ 2 nm) 250 µm 250 µm Ga pur (~ 5 nm) Al-Ga (~ 70 nm) %Ga avec la profondeur Aluminium (substrat) Pénétration intergranulaire Structure de la surface revêtue Stable dans le temps

26 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

27 Contrainte de rupture (MPa) Traction Cisaillement a) RÉSISTANCE MÉCANIQUE DU JOINT Comparaison avec d autres dépôts Tests en traction-cisaillement Polissage : 1 µm Brasage : 500 C, 30 min Ga = ~100 nm Brasage impossible si dépôt par évaporation Résistance inférieure à celle du métal de base O Sans Ga Évaporation Polissage

28 a) RÉSISTANCE MÉCANIQUE DU JOINT Interprétation Aluminium Alumine Gallium Dépôt sans action mécanique (évaporation)

29 a) RÉSISTANCE MÉCANIQUE DU JOINT Interprétation Oxyde Barrière contre la diffusion

30 a) RÉSISTANCE MÉCANIQUE DU JOINT Interprétation Aluminium Aluminium Alumine Alumine Gallium Alumine Dépôt par polissage

31 a) RÉSISTANCE MÉCANIQUE DU JOINT Interprétation

32 a) RÉSISTANCE MÉCANIQUE DU JOINT Interprétation Décapage de la couche d alumine Diffusion du gallium = Formation du joint brasé Mais résistance inférieure à celle du métal de base

33 b) CARACTÉRISATION PHYSICO-CHIMIQUE Joint brasé en coupe Polissage : 1 µm Brasage : 500 C, 30 min Ga = ~100 nm Manque de continuité (rugosité et/ou résidus d oxyde) «Faible» résistance mécanique 10 µm

34 b) CARACTÉRISATION PHYSICO-CHIMIQUE Joint brasé en coupe Polissage : 1 µm Brasage : 500 C, 30 min Ga = ~100 nm 100 µm Vrai joint autogène Lorsqu il y a contact, le brasage-diffusion fonctionne

35 b) CARACTÉRISATION PHYSICO-CHIMIQUE Joint brasé en coupe Faible grossissement Polissage : 1 µm Brasage : 500 C, 30 min Ga = ~100 nm 100 µm Éprouvette revêtue avant brasage 2 autres phénomènes Porosités aux joints de grains proches du joint brasé Ga intergranulaire + pression de brasage Diffusion volumique du Ga intergranulaire 50 µm

36 % masse Ga à 20 kv b) CARACTÉRISATION PHYSICO-CHIMIQUE Joint brasé en coupe Profil EDX Polissage : 1 µm Brasage : 500 C, 30 min Ga = ~100 nm Distances de diffusion µm autour du joint brasé et du joint de grains Coefficient de diffusion 7 À 500 C : D = 2, cm².s -1 En 30 min : x = 21,7 µm 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Joint brasé Joint de grains Diffusion du gallium cohérente avec la 100 µm littérature 0,0-0,5 7 PETERSON N.L. Physical Review B1, Distance au joint brasé (µm)

37 c) OPTIMISATION DU PROCÉDÉ Paramètres d optimisation Influence de quatre cinq paramètres État de surface des éprouvettes Durée du brasage 2, 16 et 30 minutes Température de brasage 200, 400 et 600 C Vieillissement des éprouvettes Brasage de 0 à 80 jours après dépôt Quantité de gallium déposé

38 Rugosité R a (µm) Contrainte de rupture (MPa) c) OPTIMISATION DU PROCÉDÉ État de surface des éprouvettes 40 0,4 0, Poli 1 µm 0,2 0, Poli ,0 Brut Poli 1200 Poli 1 µm Surface lisse = Meilleur contact 10 5 Brasage : 500 C, 30 min État brut Ga = ~100 nm 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Rugosité moyenne après dépôt (µm)

39 Contrainte de rupture (MPa) c) OPTIMISATION DU PROCÉDÉ Durée de brasage C C % (3) Contrainte indépendante du temps Brasage-diffusion contrôlé par la diffusion (phénomène dépendant du temps et de la température) 10 Polissage : 1 µm 5 Brasage : 200, 400, 600 C Ga = ~100 nm Temps (min) Tout le gallium est dissous en moins de 2 minutes

40 Contrainte de rupture (MPa) c) OPTIMISATION DU PROCÉDÉ Température de brasage Polissage : 1 µm Brasage : 2, 16, 30 min Ga = ~100 nm Température ( C) Augmentation avec la température À haute température, matériau plus ductile Influence du contact

41 c) OPTIMISATION DU PROCÉDÉ Quantité de gallium déposé Brasage : 500 C, 30 min Optimum de résistance pour un dépôt d environ 2 µm En-deçà : rugosité non-comblée Au-delà : fragilisation intergranulaire

42 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

43 Principales conclusions Objectif : Étudier la faisabilité de ce procédé d assemblage Comment déposer le gallium sur l aluminium? Quelle est l ampleur de la pénétration intergranulaire du gallium? Quels sont les paramètres influant sur la résistance du joint? Quelle est la résistance du joint? Quels sont les mécanismes de formation du joint?

44 Principales conclusions Comment déposer le gallium sur l aluminium? Quelle est l ampleur de la pénétration intergranulaire du gallium? Dépôt mécanique pour décaper la couche d oxyde Dépôt stable dans le temps Fragilisation sur ~ 500 µm Porosités lors de l application de la pression de brasage

45 Principales conclusions Quels sont les paramètres influant sur la résistance du joint? Durée de brasage Pas d influence Diffusion du Ga très rapide Température du brasage Influent Matériau plus ductile à haute température Rugosité de surface Très influent Importance du bon contact entre les éprouvettes Vieillissement des éprouvettes Peu d influence Quelle est la résistance du joint? ~35 MPa pour des dépôts de l ordre de 100 nm >50 MPa pour des dépôts de l ordre de 2 µm Dépend principalement du contact entre les éprouvettes Quels sont les mécanismes de formation du joint? Brasage-diffusion Formation d un vrai joint autogène

46 En résumé Le brasage de l aluminium par le gallium fonctionne. Les résistances mécaniques obtenues sont d environ 35 MPa, voire supérieures à 50 MPa pour des dépôts de gallium «épais» (~2 µm). Principale limite : Planéité et rugosité des surfaces

47 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

48

49

50 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

51 1. Quantification de la couche BILAN minimale des de tâches gallium réalisées 2. Mise au point du procédé d assemblage 3. Etude du comportement des assemblages 4. Vieillissement sous sollicitations thermo-mécaniques 5. Vieillissement sous sollicitations thermo-électriques 6. Mise au point d un procédé industrialisable d apport du gallium Traité Partiellement traité Non traité 7. Caractérisation physico-chimique poussée du matériau à tous les stades du procédé 8. Etude de la pénétration intergranulaire Le contenu du projet a été ajusté «en cours de route» sous l effet de 2 résultats importants: 1. La nécessité qu il y ait un frottement de la surface d aluminium pendant le dépôt de gallium 2. L ampleur de la pénétration intergranulaire

52 Rôles des différents partenaires LGMPA Université de Nantes Coordinateur du projet Développement du procédé à l échelle du laboratoire et compréhension des mécanismes fondamentaux. Batscap Participation à toutes les réunions d avancement Développement industriel du procédé de dépôt par «crayonnage» et du procédé de brasage appliqué aux supercondensateurs, études de vieillissement thermo-électrique Liebherr Aerospace Participation à toutes les réunions d avancement

53 SOMMAIRE 1. Présentation du projet 2. Partie scientifique 1. Introduction 2. Matériaux et techniques expérimentales 3. Étude du dépôt de gallium 4. Caractérisation des joints brasés 5. Principales conclusions 3. Application industrielle (Batscap) 4. Bilan des tâches réalisées et rôle des partenaires 5. Dissémination des résultats

54 Dissémination

55 Merci de votre attention

56 % masse masse Ga Ga b) GALLIUM DANS L ÉPAISSEUR DE L ÉPROUVETTE Dans le volume des grains (EDX) %Ga 5 kv > %Ga 20 kv Film de gallium en surface (~ 5 nm) Propagation du Ga des joints de grains 20 5 kv vers les surfaces libres 20 µm Surface externe Joint de grains Surface externe Diffusion du Ga impossible 7 : 0,04 nm en 24 heures à l ambiante kv 20 kv 520 kv kv 20 kv Position du faisceau (µm) 7 PETERSON N.L. Physical Review B1, /55

57 Intensité pic Ga(LMM) b) GALLIUM DANS L ÉPAISSEUR DE L ÉPROUVETTE Dans le volume des grains (Auger) À t = 0 : abrasion ionique Distance par rapport au joint de grains Le gallium vient bien des joints de grains 1 : 3,6 µm 3 après abrasion 2 : 11,1 µm 3 : 23,3 µm Vitesse de propagation de l ordre de 0,4 4 : 42,4 µm 1 µm/s Phénomène artefactuel à prendre en compte lors d analyses en coupe Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone Durée après abrasion (s) 57/55

58 MERCI DE VOTRE ATTENTION 58/55

59 Contrainte de rupture en traction (MPa) c) RÉSISTANCE MÉCANIQUE DES ÉPROUVETTES REVÊTUES Influence du vieillissement Éprouvettes peu fragilisées Minimale juste après dépôt (65 MPa) Fragilisation intergranulaire sur 500 µm Puis augmentation et stabilisation à partir de 50 min après dépôt Ga solidifié? Temps après dépôt (min) 59/55

60 % masse Ga a) CARACTÉRISATION DE LA SURFACE REVÊTUE Zones «propres» - Gallium (EDX) Reproductibilité des dépôts Points expérimentaux Modèle XPP : Ga = 3 nm Modèle XPP : Ga = 11 nm Modèle XPP : Ga = 17 nm Tension d'accélération HV (kv) Dispersion des résultats Meilleur ajustement : Épaisseur de gallium comprise entre 3 et 17 nm Film de Ga pur ou alliage? 60/55

61 % Ga d) TECHNIQUES D ANALYSE Épaisseur d un film superficiel (EDX) Volume analysé dépend de la tension d accélération Gallium 20 kv 5 kv Aluminium Utilisation du modèle XPP 6 dans le logiciel de simulation StrataGEM Épaisseur du film de Ga Tension d accélération 6 POUCHOU J.L. Plenum Press New-York, /55

62 C Ga (g.cm -3 ) d) TECHNIQUES D ANALYSE Épaisseur d un film intergranulaire (EDX) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Position du faisceau (µm) 62/55

63 C Ga (g.cm -3 ) d) TECHNIQUES D ANALYSE Épaisseur d un film intergranulaire (EDX) Équations de la microanalyse Si e Ga << Taille de la sonde 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Position du faisceau (µm) 63/55