Comment traiter les composants structurels en céramique d'alumine de haute pureté ?

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Composants structurels en céramique d'alumine de haute pureté sont largement utilisés dans les secteurs des semi-conducteurs, de l'aérospatiale, de l'équipement médical, des nouvelles énergies et dans d'autres domaines en raison de leurs excellentes performances, telles qu'une dureté élevée, une résistance aux températures élevées, une résistance à la corrosion, une bonne isolation électrique et un faible coefficient de dilatation thermique. Toutefois, en raison de leur dureté élevée et de leur fragilité, ils sont difficiles à traiter et nécessitent l'utilisation de procédés et d'équipements spéciaux.

1、 Préparation des matières premières
Le point de départ des céramiques d'alumine de haute pureté est la poudre d'alumine de haute pureté (avec une teneur en Al ₂ O3 ≥ 99,9%). En utilisant la technologie de broyage ultrafin, la taille des particules de la poudre est contrôlée en dessous de 1 μ m pour garantir l'uniformité et la densité du matériau. En outre, il est généralement nécessaire d'ajouter une petite quantité d'adjuvants de frittage (tels que MgO, SiO ₂, etc.) pour améliorer les performances de frittage. Le processus de granulation par pulvérisation est souvent utilisé pour optimiser la fluidité des particules. De l'alcool polyvinylique (PVA) ou de la paraffine soluble dans l'eau sont ajoutés comme liant pour rendre la poudre sphérique, de faible densité et d'un angle de fluidité inférieur à 30°.

2、 Processus de formation
Sélectionnez la méthode de moulage appropriée en fonction des exigences de forme et de précision des composants structurels. Les procédés de moulage les plus courants sont les suivants

-Moulage par pressage à sec : adapté aux formes géométriques simples (telles que les pièces dont le rapport longueur/diamètre est ≤ 4:1), il peut être rapidement moulé à une pression de 200MPa au moyen de presses hydrauliques ou mécaniques, avec une efficacité de moulage de 15 à 50 pièces/minute.
-Moulage par coulis : convient aux pièces complexes et irrégulières, utilisant des moules en gypse pour absorber l'humidité de la boue et la solidifier en forme. Un désémulsifiant (tel que le polyacrylamide) et un liant (tel que la méthylcellulose) doivent être ajoutés à la boue pour stabiliser le système de suspension.
Technologie de moulage et de pré-enrobage : Pour les composants structurels complexes contenant des micropores ou des canaux, la boue d'alumine est coulée en plaques et préencastrée dans un matériau de remplissage en butyral de polyvinyle (PVB), qui est ensuite formé par pressage isostatique à température (75-100 ℃, 100-200MPa). Après frittage, le matériau de remplissage s'évapore pour former des canaux poreux précis.
-Formage sous pression isostatique : En appliquant uniformément une pression (200-400 MPa) à travers un milieu liquide ou gazeux, la densité de la billette est plus élevée et plus uniforme, ce qui permet de réaliser des structures complexes.

3、 Processus de frittage
Le frittage est l'étape centrale qui détermine les propriétés des céramiques. Il permet de densifier les particules grâce à une liaison à haute température. Les procédés de frittage les plus courants sont les suivants :

-Frittage sous pression atmosphérique : effectué à des températures élevées supérieures à 1600 ℃, il convient pour les composants structurels conventionnels.
-Pressage isostatique à chaud (HIP) : Une pression uniforme dans un milieu gazeux à haute température et à haute pression peut augmenter la densité de 30 à 50%, ce qui convient aux produits à haute valeur ajoutée tels que les roulements d'aviation et les composants de combustible nucléaire.
-Frittage par pressage à chaud : frittage sous pression (10-40 MPa), la température de frittage peut être réduite à 1400-1600 ℃, et la densité est supérieure à 99,5%.
-Frittage par plasma à étincelles (SPS) : chauffage rapide (plusieurs centaines de ° C/min), temps court (5-20 minutes) pour une densification complète, granulométrie fine.

L'embryon fritté doit être soumis à un contrôle aux rayons X pour s'assurer qu'il ne présente pas de fissures internes ou de défauts de porosité, jetant ainsi les bases d'un usinage de précision ultérieur.

4、 Usinage de précision
La dureté des céramiques d'alumine de haute pureté est la deuxième après celle du diamant (degré de dureté de Mohs 9), ce qui nécessite l'utilisation d'outils super-durs et de la technologie CNC pour l'usinage de précision. Les méthodes de traitement les plus courantes sont les suivantes :

-Coupe d'outils diamantés : Les machines de gravure et de fraisage en céramique sont équipées d'outils en nitrure de bore cubique (CBN) ou en diamant, permettant d'atteindre une précision de l'ordre du micromètre grâce à l'optimisation des paramètres de coupe (vitesse>3000 tr/min, vitesse d'avance 0,01 mm/temps).
-Meulage et polissage : des meules diamantées (taille des particules # 200- # 2000) sont utilisées pour le meulage, avec une rugosité de surface Ra allant jusqu'à 0,1 μ m. Le polissage étape par étape, du meulage grossier au meulage fin, et enfin l'utilisation de poudre d'alumine de qualité submicronique ou le polissage au gypse diamanté, peuvent permettre d'obtenir un effet miroir.
-Traitement laser : Les lasers femtoseconde ou picoseconde peuvent être utilisés pour le perçage et la découpe, avec une précision de ± 5 μ m, adaptée aux microstructures ultra-minces ou complexes.
-Usinage par décharge électrique : Convient au rainurage et à la découpe de céramiques de haute dureté en attaquant les matériaux par décharge.
-Usinage par ultrasons : utilisation de vibrations à haute fréquence pour rectifier des pièces à parois minces ou complexes, ce qui réduit le risque de rupture des arêtes.

5、 Traitement de surface
Afin d'améliorer les performances des composants structurels en céramique, le traitement de surface est une étape indispensable. Les méthodes de traitement de surface les plus courantes sont les suivantes :

Polissage : le polissage mécanique chimique (CMP) peut réduire la rugosité de la surface à Ra<1nm, ce qui convient aux fenêtres optiques et aux composants de semi-conducteurs.
-Revêtement : Selon les besoins, des revêtements résistants à la corrosion peuvent être appliqués sur les surfaces céramiques.

6、 Contrôle de la qualité
Après le traitement, il est nécessaire de procéder à une inspection complète de la qualité des composants structurels en céramique d'alumine de haute pureté, notamment en ce qui concerne la précision dimensionnelle, l'état de surface, les défauts internes, etc. Des technologies telles que le contrôle par rayons X et le contrôle par ultrasons sont couramment utilisées pour détecter les défauts internes.

La technologie de traitement des produits de haute pureté composants structurels en céramique d'alumine est complexe et précise, de la préparation des matières premières au traitement de surface final, chaque étape a un impact significatif sur la performance du produit final.