Finite element simulation of ceramic deformation during sintering
Simulation numérique des déformations des produits céramiques lors du frittage
Résumé
The control of the deformation of ceramic parts during the sintering process is essential, in order to avoid post-treatment and subsequent machining which increase the production costs. The procedure for obtaining the desired form after sintering is usually carried out by trial and error. An alternative to this costly approach is the prediction of shape instabilities during sintering by finite element simulation. With this aim, constitutive models have to be developed, taking into account the different deformation mechanisms induced by sintering. These phenomenological constitutive models use different material parameters which must be determined by experiment. This thesis aims to propose a methodology for modelling the deformation of ceramics during sintering. This methodology consists in experimental analysis of densification and pyroplastic behaviour of ceramics, developing a phenomenological constitutive model and material parameters identification. Two different materials have been studied: 1. A porcelain manufactured by slip casting process: Although slip casting process has been used for many years, it involves some technical problems that hinder the development of innovative products. Anisotropic deformation during sintering of slip cast parts is one of these problems. This behaviour is related to the rheological properties of the slurry and the orientation of anisotropic particles in the green part. An anisotropic constitutive model of sintering has been developed in order to predict the deformation of slip cast porcelain during firing process. 2. Ceramic cores made by injection moulding and used for investment casting of superalloys: Thermomechanical behaviour of zircon-silica cores has been studied by dilatometry and sinter-bending tests. The technical specificity of these materials is their low shrinkage during sintering process. This behavior is related to the crystallization of silica at high temperature. The crystallization inhibits the viscous flow and stops sintering shrinkage. A constitutive model predicting this behaviour is also proposed. These constitutive models have been implemented in the ”Zset” finite element program. After identifying the model parameters, the finite element numerical simulation has been performed on representative parts. Finally, the sensitivity of numerical results to mechanical parameters of an isotropic sintering model is analysed using a model reduction approach.
Pour les fabricants de céramiques, il est primordial de maîtriser la déformation des pièces lors du frittage afin d'éviter les post-traitements et usinages ultérieurs qui augmentent les coûts de production. Face à ce problème, une alternative à la coûteuse démarche essai-erreur est la prévision par simulation numérique aux éléments finis des déformations des produits au cours du frittage. Pour une approche numérique, il faut d'abord développer des lois de comportement qui prennent en compte les différents mécanismes de déformation induits par le frittage. Les paramètres intrinsèques aux matériaux intervenant dans ces lois doivent être déterminés par l'expérience. Le but de cette thèse est de proposer des modèles prédictifs de la déformation des pièces céramiques lors du cycle de frittage. La procédure est basée sur une loi de comportement et les essais associés: l'essai de densification lors du frittage et l'essai de flexion-frittage. Deux matériaux différents ont été étudiés: 1. Une porcelaine fabriquée par procédé dit de coulage: Bien que ce procédé soit utilisé depuis des années, il continue à poser des problèmes fondamentaux qui entravent le développement de produits innovants. La déformation anisotrope durant le frittage des pièces coulées est un de ces problèmes. Les origines d'un comportement anisotrope des céramiques au cours du frittage sont liées aux propriétés rhéologiques de la barbotine, ainsi qu'à l'orientation anisotrope des particules dans les pièces crues. Une loi de comportement anisotrope prédictive de la déformation lors du frittage des pièces céramiques coulées a été développée. 2. Un réfractaire à base de zircon et de silice destiné à la fabrication de noyaux pour la fonderie de superalliages: Le comportement des noyaux de fonderie en zircon et silice lors de frittage a été étudié à l'aide d'essais de dilatométrie et d'essais de flexion-frittage. La spécificité de ces matériaux est un très faible retrait au cours de frittage. Ce comportement est lié à la cristallisation de la silice pendant le processus de cuisson. La cristallisation s'accompagne d'un blocage de l'écoulement visqueux ainsi que le retrait du frittage. Un modèle prédictif de ce comportement a été proposé. Les lois de comportement ainsi développées ont été implémentées dans le code de calcul par éléments finis "Zset". Après l'identification des paramètres des modèles, une simulation numérique par éléments finis a été réalisée sur des pièces génériques. Enfin la sensibilité des résultats aux paramètres d'une loi de comportement de frittage isotrope a été étudiée en utilisant une approche par réduction de modèle.
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