Étude de L'influence Des Conditions de Brasage - Reims, France - CITEL - UTTOP

Description

**Étude de l'influence des conditions de brasage sur la tenue mécanique en service de jonctions céramique - métal**:

- Réf **ABG-123986**
- Sujet de Thèse- 18/05/2024- Cifre- CITEL - UTTOP- Lieu de travail- Tarbes (Occitanie) - Reims (Grand Est) - Occitanie - France- Intitulé du sujet- Étude de l'influence des conditions de brasage sur la tenue mécanique en service de jonctions céramique - métal- Champs scientifiques- Matériaux
- Génie des procédés
- Sciences de l'ingénieur
- Mots clés- Assemblage multi-matériaux ; brasage céramique-métal ; métallurgie ; comportement thermo-mécanique ; caractérisation expérimentale**Description du sujet**:
**Contexte**

Dans un contexte d'extension croissante des réseaux et des équipements électriques, la protection électrique des équipements est devenue une préoccupation majeure. Les SPD (Surge Protective Device) incluent différents composants : varistances à oxyde de zinc, diodes, éclateurs à air, éclateurs à gaz, etc. Développés dans les années 60 et utilisés principalement en protection sur les réseaux téléphoniques jusque dans les années 90, les éclateurs à gaz sont aujourd'hui utilisés également sur les réseaux électriques basse tension mais avec des caractéristiques de design (forme et taille) et de tenue électrique (niveau de choc) très différentes qui induisent des problématiques nouvelles.

Un éclateur à gaz (GDT pour Gas Discharge Tube) est un composant obtenu après le scellement sous atmosphère contrôlée d'une céramique isolante et de deux électrodes métalliques. En fonctionnement normal, le gaz n'est pas ionisé et le GDT est isolant. Si une tension critique (supérieure à un seuil fixé) est appliquée aux bornes des électrodes, le gaz va s'ioniser, le GDT deviendra conducteur et le courant généré lors de la surtension pourra s'écouler vers la terre au lieu de détruire l'équipement.

Le scellement du GDT, c'est-dire l'assemblage de ses parties métalliques et céramique, est un point critique du procédé de fabrication. La maîtrise et l'optimisation de cette étape sont essentielles pour obtenir les performances électriques optimales (tensions d'amorçage, tenue aux chocs sur onde de courant, etc.) [1] ainsi qu'une diminution notable du coût final du produit (amélioration des rendements, utilisation d'électrodes monobloc par exemple). Parallèlement, les innovations recherchées visent à une réduction des coûts énergétiques associés à la production et au respect des exigences environnementales et de santé pour le choix des matériaux constitutifs, notamment les directives RoHS (Restriction of Hasardous Substances in electrical and electronic equipment) limitant l'emploi de certains alliages ou composés.

**Problématique de recherche**

L'association de matériaux métallique et céramique s'opère par brasage haute température. L'adhésion entre les matériaux de base se fait à l'aide d'un métal d'apport (brasure) qui, porté à l'état liquide durant le process, vient mouiller les interfaces des substrats puis se solidifie lors du refroidissement venant créer la liaison d'ensemble [2,3]. La différence entre les coefficients de dilatation des substrats induit lors de ce process d'importantes contraintes résiduelles au sein de la structure assemblée. Ces contraintes modifient le comportement des matériaux et peuvent générer des microfissures au sein de la céramique, de la brasure ou aux interfaces entre les phases [4,5]. De tels phénomènes sont à l'origine de pertes d'intégrité des assemblages finaux ou à une réduction de leur durée de vie. La fabrication d'un GDT nécessite plusieurs opérations de brasage (i) celui de l'électrode en cuivre sur une coupelle Fe-Ni, (ii) celui de l'assemblage ainsi obtenu sur une céramique isolante à base d'alumine. La maîtrise de ces étapes de fabrication passe par l'optimisation de divers paramètres tels que la conception des pièces, la préparation des surfaces ou encore les conditions de scellement (cycles thermiques, contrôle de l'atmosphère, etc.). La connaissance des relations entre procédés, microstructures et propriétés qui en résultera servira à l'établissement de modèles empiriques afin d'améliorer le design des nouveaux produits et de réduire la durée de leur développement.

La thèse proposée a pour premier objectif de caractériser du point de vue métallurgique l'assemblage entre la douille céramique et l'électrode métallique en alliage N42 (alliage Fe-Ni à dilatation contrôlée couramment utilisé pour le scellement céramique/métal) [6]. Ce travail permettra d'approfondir la connaissance sur les contraintes thermomécaniques des assemblages et leur impact sur la conception des différents composants. Il s'agira notamment d'établir le comportement et les propriétés de la brasure selon les préparat