Le frittage
Le frittage est un procédé utilisé dans l’industrie pour réaliser des pièces solides et compactes à partir de poudres sans les porter à la température de fusion. Il est connu et utilisé depuis l’antiquité. La cuisson des poteries s’apparente au processus de frittage.
Le frittage est un processus complexe. On peut le définir comme un traitement thermique au moyen duquel on modifie les propriétés au sein d’un volume occupé par une poudre, soumise le cas échéant à une pression extérieure, de façon à augmenter significativement sa compacité (réduire sa porosité) et à obtenir un corps dense et solide.
Au cours du cycle thermique, la matière diffuse entre les grains de façon à minimiser les excès d’énergies à l’interface entre ceux-ci (dus à la compaction par exemple), ce qui se traduit par une diminution de l’énergie libre totale du système. La diminution de la porosité se manifeste de façon macroscopique par un retrait par rapport au volume de la pièce avant frittage. Ce retrait dépend de la nature des poudres et de la qualité du procédé. La porosité initiale est souvent voisine de 40% (compacité 60%). Elle peut être réduite à quelques %, voire moins dans le cas des céramiques techniques.
Le frittage est donc la consolidation, sous l’effet de la température, d’un agglomérat de poudres dont les particules se soudent pour donner une pièce solide (on dit cohésive) dont la structure est de type polycristalline. Un polycristal est un matériau solide, constitué de microcristaux (des cristallites) d'orientation variée, soudés entre eux par des joints et entre lesquels les interstices sont partiellement remplis de matière vitreuse.
Le frittage n’est possible que si les atomes peuvent diffuser entre les grains pour établir des ponts qui les soudent entre eux. Le mouvement de matière s’effectue depuis les zones de plus haute énergie vers des zones de plus basse énergie et principalement au niveau des joints de grains (appelés cols de frittage). L’apport d’énergie thermique pendant le processus est nécessaire pour vaincre la barrière de potentiel entre l’état initial (la poudre) et l’état final de plus basse énergie.
Les spécialistes identifient différents chemins de diffusion possibles. La diffusion peut conduire à un réarrangement des surfaces, auquel cas elle est peu ou pas densifiante, ou se produire à l’intérieur des grains ou au niveau des joints de grains (diffusion densifiante et réduction de la porosité). Elle peut être de nature très diverse : migration due à l’agitation thermique ou à la pression de contact, réarrangement autour des dislocations à l’intérieur des grains, évaporation locale et précipitation/condensation aux points de contact...
Le frittage en phase solide consiste à agglomérer des poudres à une température à laquelle tous les constituants restent à l'état solide. Dans le frittage en phase solide, on applique simultanément une pression sur la pièce en cours de traitement. La microstructure du matériau évolue principalement sous l’effet d’une modification des interfaces (joints de grains et volume de pores).
Dans le frittage en phase liquide la poudre est mélangée à un liquide et forme une pâte (la barbotine). Le transport de matière se fait en partie au travers du liquide, en particulier par dissolution locale, diffusion et précipitation/recristallisation. La recristallisation contribue en partie à la disparition de la phase liquide dont les molécules se trouvent figées en solution solide (dispersion au sein de la matière).
La poterie est un forme très élémentaire de frittage en phase liquide. La plupart des métaux, les cermets et certaines céramiques techniques sont frittés en phase liquide.
Céramique technique et cermets
Une céramique technique est un objet obtenu par compaction d’une poudre céramique à la forme désirée puis consolidation par cuisson à haute température. Une poudre de bonne qualité permet d’atteindre un état de densification quasi totale. Les poudres utilisées sont en général des poudres d’alumine, des spinelles (oxydes mixtes à l’image de l’oxyde de magnésium et d’aluminium MgAl2O4) ou du zircon (oxyde de zirconium ZrO2 avec des traces d’oxyde d’yttrium). Le bore fritté est souvent considéré comme une céramique technique.
Les cermets sont des matériaux frittés à matrice métallique additionnés de poudre céramique. Ils font partie de la famille des matériaux composites à matrice métallique (CMC). Les métaux utilisés sont principalement le nickel, le molybdène et le cobalt. La poudre est le plus souvent une poudre d’oxyde d’aluminium mais on peut aussi utiliser une poudre de carbure (comme le carbure de tungstène CW) ou de borure. (On remarquera que le bore est dans la même colonne que l’aluminium, composant principal de l’alumine, dans le tableau de classification périodique des éléments.)
