Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Le terme d'assemblage par diffusion désigne des procédés qui se déroulent entièrement dans un milieu solide (soudage par diffusion) ainsi que des procédés impliquant une phase liquide (brasages-diffusion avec disparition de la phase liquide en fin de palier de brasage). Dans cette méthode, la diffusion à l'état solide n'est pas le seul mécanisme opérant puisque la viscoplasticité intervient de façon très localisée au niveau de l'interface. Les pièces sont peu déformées après assemblage mais le traitement thermique qu'elle ont subi doit tout de même être pris en compte. Cet article détaille ces procédés lents, tels que la diffusion, produisant des microstructures peu affectées par l'assemblage, la matière étant soumise en tout point à des cycles thermiques quasi identiques. Il en résulte des propriétés mécaniques comparables à celles du matériau le moins résistant. De nombreux couples de métaux peuvent être soudés par diffusion suivant les quelques technologies présentées et les assemblages métal/céramique s'y apparentent. Les applications concernent des dispositifs de fluidique, des capteurs, des composants de turbines à gaz et des éléments de structure d'avion.
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Diffusion bonding refers to solid-state processes (diffusion welding) and processes involving a liquid phase (brazing-diffusion including the termination of the liquid phase at the end of the brazing stage). In this method, the solid-state diffusion is not the only mechanism involved as viscoplasticity occurs in an extremely localized way in the interface. Although the parts are hardly deformed after bonding, the thermal treatment they have been subjected to must be taken into account. This article details these slow processes, such as diffusion, which produce microstructures that are little impacted by bonding, the matter being subjected at any point to quasi-identical thermal cycles. The mechanical properties obtained are thus similar to those of the least resistant material. A large number of metal pairs can be bonded by diffusion via the few technologies presented and the metal/ceramic bonding techniques are similar. Applications concern fluidic devices, sensors, gas-turbine components and aircraft structure components
Auteur(s)
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Yves BIENVENU : Ingénieur ECP - Professeur MinesParisTech
INTRODUCTION
Assemblage par diffusion est un terme générique recouvrant une famille de procédés qui reposent sur la diffusion [M 55] pour l'établissement de liaisons fortes entre deux pièces métalliques. Il convient donc de les comparer soit aux assemblages par fusion, soit aux assemblages mécaniques. Ces procédés sont en général plus lents que ceux qui impliquent le passage à l'état liquide d'une partie de l'assemblage au niveau du joint comme le soudage par fusion ou le brasage conventionnel. S'ils ne présentent généralement pas l'avantage d'une grande productivité, les procédés « d'assemblage par diffusion » en présentent bien d'autres liés :
-
à l'absence de microporosité et de ségrégation, totale pour le soudage par diffusion, partielle pour l'assemblage par brasage-diffusion ;
-
à l'absence de discontinuités, zone fondue (ZF) ou affectée thermiquement (ZAT) ;
-
à l'absence de déformation massive et quasi-absence de contraintes résiduelles et donc possibilité d'un assemblage de précision ;
-
au haut niveau de résistance mécanique de l'interface (contrainte à rupture en général supérieure à 80 % de la contrainte à rupture du moins résistant des matériaux de l'assemblage).
Toutes les pièces d'un assemblage par diffusion sont soumises au même cycle thermomécanique. Il peut donc être nécessaire de compléter ou de refaire le traitement thermique. La formation de composés stables à l'interface peut poser un sérieux problème de qualité et interdire le soudage par diffusion ou du moins orienter le choix des technologies.
Les domaines d'application des procédés d'assemblage par diffusion vont de l'électronique et de la fabrication de capteurs, à l'ingénierie nucléaire et la construction aérospatiale. Ce sont bien souvent des marchés de « niche ». Les assemblages de matériaux avancés comme les composites à matrice métallique ou les alliages durcis par dispersoïdes (ODS) et les assemblages métal/céramique qui ne peuvent être assemblés par le soudage conventionnel ou par brasage (avec une phase liquide massive) peuvent souvent l'être avec les procédés d'assemblage par diffusion.
Nous verrons qu'il existe une assez grande variété de technologies d'assemblages par diffusion, même en limitant le propos au soudage et au brasage par diffusion. Nous sommes en effet amenés à distinguer au niveau fondamental les assemblages en phase solide et les assemblages par diffusion avec une phase liquide transitoire dits brasage par diffusion. Nous considérerons essentiellement les procédés avec un faible niveau de déformation plastique généralisée (< 1 %), mais nous les comparerons rapidement à des procédés connexes traités par ailleurs dans la collection des Techniques de l'Ingénieur, comme le colaminage, le soudage par explosion et le soudage par friction [M 4 543] [B 7 745] [B 7 746] où la déformation est généralisée.
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Brasage-diffusion (BD) de métaux1. Soudage par diffusion (SD) à l'état solide
L'assemblage en phase solide repose sur la diffusion et la déformation viscoplastique locale au niveau des aspérités de l'interface. Ces deux mécanismes sont activés par la température et la pression de contact :
-
la température pour l'assemblage par diffusion se situe en général entre 0,6 et 0,9 Tf où Tf (en K) désigne la température de fusion la plus faible des deux matériaux ;
-
la contrainte se situe à une valeur comprise entre 0,2 et 0,9 fois σe , la plus faible des contraintes d'écoulement des deux matériaux à la température d'assemblage.
Ces conditions rappellent celles choisies en métallurgie des poudres. Ce n'est pas étonnant, car la technologie de mise en forme par densification de poudres réalise simultanément l'assemblage d'un très grand nombre de particules. La variation des contraintes d'écoulement (souvent assimilées à la contrainte de rupture par fluage en 1 000 h environ) d'alliages métalliques à base de fer ou de nickel ou cobalt en fonction de la température est représentée à la figure 1. Il existe de fait une relation entre la température d'assemblage et la contrainte minimale pour un soudage par diffusion satisfaisant sur le plan du comportement du joint ; elle est illustrée pour l'assemblage de deux superalliages à base de nickel à durcissement structural sur la figure 2. L'alliage AP1 ou NiCo17Cr15Mo5Al4Ti3 a un solidus de l'ordre de 1 210 oC alors que pour l'alliage MarM247 ou NiCo10Cr9W10Mo1Al6Ta3Ti1 il est de l'ordre de 1 320 oC [B 7 746]. L'écart entre les deux variations linéarisées sur la figure 2 est de 100 oC environ, qui est à peu près égal à l'écart entre les solidus...
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Soudage par diffusion (SD) à l'état solide
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BIENVENU (Y.), MASSART (T.), VAN WOUW (L.), JEANDIN (M.), MORRISON (A.) - The metallurgy of diffusion bonding. - In Diffusion Bonding, Proceedings of 1st Int. conf. on Diffusion bonding, Cranfield, PEARCE (R.) Éd., Cranfield University Press, p. 32-44, 7-8 juil. 1987).
-
(2) - COLIN (C.), KOUTNY (J.P.), BIENVENU (Y.) - Diffusion bonding of Inconel 600 to alumina. - In Diffusion Bonding 2, Proceedings of the 2nd Int. conf. on Diffusion bonding held at Cranfield Institute of Technology, 28-29 mars 1990, Elsevier Applied Science, London, p. 200-223 (1991).
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(3) - KOVACIC (V.) - Le soudage par diffusion à l'état solide. - Soudage et techniques connexes, 63, 11-12, p. 41-45 (2009).
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(4) - DEVERS (T.), HOURCADE (M.) - 30 seconds solid state bonding of metals. - In Diffusion Bonding 2, Proceedings of the 2nd Int. conf. on Diffusion bonding held at Cranfield Institute of Technology, 28-29 mars 1990, Elsevier Applied Science, London, p. 171-182 (1991).
-
(5) - VEYRAC (M.), HOURCADE (M.), HOCHEID (B.) - Réalisation de jonctions Zr-Ta par soudage-diffusion. - Mémoires et Études...
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