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Le plasma assemble des matériaux différents

Nadège Aumond

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Avec la projection plasma, le CEA a notamment réalisé des joints biphasés étanches à haute température.

Assembler des matériaux de nature différente tels qu'une pièce en céramique et une pièce métallique n'est déjà pas chose aisée. Garantir de surcroît la résistance et l'étanchéité à très hautes température et pression du joint entre ces pièces relève de l'exploit. C'est néanmoins ce qu'ont réussi des chercheurs du Laboratoire de projection thermique du CEA.

Obtenir un matériau 100 % étanche

« Nous avions besoin, pour une application de pile à combustible fonctionnant à haute température, d'un matériau complètement étanche à 900 °C pour assembler des parties à l'intérieur de la pile, explique Sechel Methout, chercheur au CEA. À cette température, les solutions traditionnelles ne fonctionnent plus : les polymères sont dégradés et le verre, classiquement mis en oeuvre dans les piles, devient liquide. » L'idée est donc venue d'inclure le verre dans une matrice microporeuse restant solide et stable à haute température. Ce sera une céramique, la zircone. Le joint biphasé est né.

S'appuyant sur un solide savoir-faire en matière de projection thermique plasma, l'équipe du CEA dépose le mélange selon ce procédé très connu pour traiter les surfaces et déposer des revêtements dans l'industrie mécanique. « La projection plasma laisse toujours une porosité ouverte résiduelle qui varie entre 5 et 20 %. Notre objectif était d'obtenir un matériau complètement étanche, donc sans porosité ouverte », explique le scientifique.

Le joint biphasé est constitué couche par couche sur la pièce support, par projection des deux poudres, jusqu'à former un empilement équivalent à une sorte d'éponge en céramique comportant des inclusions de verre. Quand il est porté à température, la phase fondante, le verre pour cette application, se ramollit et migre dans les pores par capillarité puis ressue, formant ainsi un film liquide qui adhère parfaitement à la surface de la deuxième pièce mise en regard.

Un joint spécifique à chaque application

La composition du joint peut être adaptée à toute sorte d'applications, de préférence celles qui nécessitent d'assembler des pièces de nature différente et/ou une étanchéité à très haute température car à température normale ou basse, il existe des solutions plus compétitives financièrement. « Il est en effet possible d'injecter autre chose que du verre, un métal par exemple tel que l'aluminium. De même la matrice pourrait être métallique. Tout dépend de l'application. Il est également envisageable que la phase fondante réagisse chimiquement avec les pièces à assembler, un peu comme ce qui se passe lors d'une soudure, afin d'obtenir une forte adhérence », précise Sechel Methout.

La température de fusion ou de dégradation de la matrice doit être supérieure à la température de mise en condition du joint. Tandis que le coefficient de dilatation du fondant doit être le même que celui des pièces à assembler. Dans le cas contraire, l'apparition de fissures lors du refroidissement pourrait fortement compromettre non pas l'adhérence mais l'étanchéité qui ne serait plus garantie à 100 %.

Cette technique, qui permet d'assembler deux céramiques voire une céramique et un métal, est brevetée. Le CEA est prêt à concéder des licences et à accompagner les industriels de tous secteurs. La maîtrise du procédé par l'équipe permet d'envisager d'usiner le joint si besoin, voire de créer directement des pièces autoportées.

Un équipementier automobile américain se serait déjà montré très intéressé.

EN BREF

Les Atouts - Assemblage de matériaux métalliques et céramiques - Joint de faible épaisseur non déformable et usinable - Propriétés physiques du joint modulables Les Freins - Procédé de mise en oeuvre non généralisé dans l'industrie - Nécessite un conditionnement en température élevée

UN JOINT POUR LES PILES À COMBUSTIBLE

Le Laboratoire de projection thermique du CEA a développé un joint biphasé spécifique devant prendre place au coeur d'une pile à combustible fonctionnant à haute température (SOFC). Composé d'une matrice céramique en zircone et d'une phase fondante en verre, ce joint résiste à plus de 900 °C et présente des performances en termes d'étanchéité 10 fois supérieures à celles des joints en verre classiques.

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