Spark Plasma Sintering à partir de poudres mécaniquement activées : compréhension des transitions de phase au cours d'un frittage réactif

Spark Plasma Sintering from mechanically-activated powders: In-situ investigation of phase transition during a current activated SHS

¹ Institut Carnot de Bourgogne, UMR 5209 – CNRS, Université de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, BP. 47870, 21078 Dijon Cedex, France
² Nanomaterials Research Group (NRG), UMR 5060 – CNRS, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM), Site de Sévenans, 90010 Belfort Cedex, France
³ Max-Planck-Institute for Chemical Physics of Solids, Nöthnitzer Str. 40, 01187 Dresden, Germany

Reçu : 29 Juin 2007
Accepté : 10 Octobre 2007

Résumé

À "basse température" (entre 400 et 600 °C), l'oxydation de MoSi₂ entraîne sa désintégration en poudre (phénomène de "peste"). De récents travaux ont montré que l'utilisation de MoSi₂ dense et nano-organisé permettrait de ralentir ce phénomène de "peste". Le défi de produire des matériaux denses et nano-organisés peut être relevé par le frittage "flash" réactif sous champ électrique à partir des poudres mécaniquement activées (Mechanically-Activated Spark Plasma Sintering, MASPS). Le contrôle de la composition et de la microstructure du composé intermétallique MoSi₂ nécessite de déterminer les paramètres du frittage SPS (température, rampe de montée en température, pression uniaxiale appliquée et temps de maintien) lorsque des poudres activées mécaniquement sont utilisées. À l'heure actuelle, par ce procédé, les échantillons présentent une phase majoritaire, MoSi₂ à plus de 97 %, et une phase secondaire, Mo₅Si₃. Il est donc indispensable de comprendre les transitions de phase qui peuvent avoir lieu au cours d'un frittage impliquant simultanément une consolidation et une réaction SHS. Il a donc été essentiel de développer un nouveau type d'équipement pour reproduire partiellement ce procédé. Ceci a été réalisé avec succès en mettant en œuvre une analyse par diffraction des rayons X "in-situ" et en temps réel couplée à une analyse par thermographie IR.

Abstract

At “low temperature” (between 400 and 600 °C), an accelerated oxidation can be occurred enhancing the disintegration of the massive MoSi₂. This phenomenon was named “pest oxidation”. It is generally allowed that the “pest” phenomenon, i.e. powder disintegration of massive MoSi₂ samples, is due to the growth of Mo oxide (MoO₃). Recents works have shown that the use of dense nano-organized MoSi₂ can be slowed down this phenomenon. The challenge for producing such dense nanostructured materials has been reached from a mechanically-activated spark plasma sintering (MASPS). In order to synthesize a dense molybdenum disilicide with a perfectly controlled microstructure, an investigation of the influence of Spark Plasma Sintering processing parameters (temperature, heating rate, mechanical pressure and holding time) on the chemical composition and the microstructure characteristics has been performed. Such an approach leads to the elaboration of samples getting a porosity of 6% and a microstructure nano-organized. But these optimal conditions did not make it possible to really obtain the expected phase compound during the reactive sintering of MoSi₂. Indeed, both XRD analysis and SEM observation reveal the presence of a secondary phase, Mo₅Si₃. Consequently, it was essential to develop characterization tools “in-situ” such as the Time Resolved X-ray Diffraction (TRXRD), with an X-ray synchrotron beam (D2AM-BM2, ESRF Grenoble) coupled to an infrared thermography to study simultaneously structural transformations and thermal evolutions. In situ synchrotron time-resolved X-ray diffraction experiments coupled with an infrared imaging camera have been used to reveal the reaction mechanisms during the production of MoSi₂ by a current activated SHS sintering.