Préparation de poudres ultrafines utilisant la technique des plasmas à induction

Abstract

La synthèse des poudres ultrafines (P.U.F) occupe une place de choix dans l'avancement de la métallurgie des poudres. En effet, le processus de solidification rapide leur permet d'avoir des propriétés spécifiques qui sont à la base de l'obtention de matériaux qualifiés de haute performance. Parmi, celles-ci on peut en citer la composition, la taille et la microstructure qui jouent un rôle important dans les opérations de compactage et de frittage. Pour des applications particulières; physiques, électriques, chimiques ou mécaniques, les P.U.F ont permis la fabrication de matériaux robustes qui se distinguent entre autres par les qualités suivantes: - très durs - résistants à l'usure mécanique - résistants à la chaleur et à l'oxydation - chimiquement stables. On les trouve généralement dans l'industrie aéronautique, spatiale et d'automobile, en électronique et là où ils servent de barrière thermique contre les hautes températures. Ces matériaux et plus particulièrement les céramiques ont connu un grand intérêt dans le marché international. Entre 1981 et 1984, l'industrie américaine a vu sa demande en céramique électrique augmenter de 43 % (un total de $ 701.3 millions) [7]. En 1985, le Strategic Analysis. Inc (SAI) [1] a prévu que les céramiques à base de nitrure, carbure et borure, matériaux de haute performance, vont connaître dans les quatres prochaines années un accroissement annuel de 16 %. D'après la même source, le total des ventes dans le monde entier est estimé à $ 5.2 milliards en 1985; dont $ 2.4 milliards dans le marché américain, suivi du Japon de $ 2.3 milliards et de $ 0.5 milliard en Europe. Parmi les applications les plus récentes, on peut citer entre autres la production d'un rotor turbochargeur en céramique par la maison Nissan [8]. Ce rotor a été assujetti à un test d'endurance pendant 15000 heures. Il est capable d'opérer à 110000 tours/mn à des températures de l'ordre de 1170 et 1370 K. On peut citer encore les bandes de cassettes à base de P.U.F de fer ou de chrome qui ont un grand pouvoir magnétique leur permettant d'emmagasiner un plus grand nombre d'informations et d'améliorer les propriétés physiques de la cassette (épaisseur de la bande). L'alumine est largement utilisée en électronique, production de roquettes ou fusées, en industrie chimique (catalyseur), métallurgique et d'autres branches industrielles pour son point d'ébullition assez élevé, sa grande stabilité mécanique et ses grands paramètres diélectrique. On peut conclure alors que les poudres ultrafines ont poussé l'ensemble des pays industrialisés à se trouver à la course d'une autre ère qu'on peut qualifier de céramiques nouvelles. Cependant, la préparation de P.U.F nécessite des techniques bien particulières pour fournir au marché un produit susceptible de fabriquer des matériaux de structure précise et bien contrôlée. Pendant les dernières décennies, le plasma thermique a connu une multitude d'applications tant à l'échelle pilote qu'à l'échelle industrielle. Un intérêt grandissant se manifeste pour l'utilisation de cette technique qui s'avère non seulement un moyen de source de chaleur pour fusionner les métaux et les alliages mais aussi un excellent outil pour la synthèse des poudres ultrafines et ultrapures. D'autres techniques sont en compétition telles que le chauffage à la résistance électrique, au faisceau électronique et au faisceau de rayon laser. Ces techniques se basent sur le concept de l'évaporation des matériaux à faible pression et à la collection du produit par voie sèche. Le plasma à induction HF présente l'avantage d'être à la fois stable, efficace et permettant l'obtention de produits de grande pureté. Par ailleurs, le contrôle précis de la température, de la taille et du taux de production des particules ont poussé la majorité des secteurs de traitement de matériaux à avoir recours à cette technologie. L'objectif du présent travail est la production de poudres ultrafines de taille comprise entre 0.1 et 1.0 µm utilisant les plasmas à induction HF. Deux voies de préparation d'une telle poudre ont été identifiées. La première est axée sur l'évaporation d'une poudre de fer sous pression modérée suivie d'une condensation contrôlée de la vapeur et la collection des particules formées. La seconde voie est basée sur le concept de la synthèse de la vapeur de fer dans le réacteur à plasma par une décomposition thermique du pentacarbonyl de fer, suivie des mêmes étapes de condensation de la vapeur et de la collection de la poudre de fer obtenue. Une étude préliminaire de ces deux techniques nous a permis d'opter pour la première. La collection de la poudre obtenue est effectuée par voie humide. Le présent mémoire comporte trois parties: - Le premier chapitre est consacré à l'étude bibliographique des différentes techniques de préparation des poudres ultrafines utilisant les plasmas thermiques. - Le deuxième chapitre a fait l'objet d'une description du dispositif expérimental et des techniques d'analyses utilisées. Une étude de la technique de collection et d'un distributeur de poudre y fait partie. - Le troisième chapitre a visé l'étude systématique des conditions d'opération et l'analyse et l'interprétation des résultats expérimentaux.