Le scellement verre-métal est un procédé verrier qui consiste à faire fondre du verre sur du métal afin de créer un accrochage entre ces deux matériaux. Cette technique, couramment utilisée dans la connectique, offre la possibilité de créer des joints de verre totalement hermétiques, isolants et très résistants. Les matériaux traditionnellement utilisés nécessitent des températures élevées pour la réalisation du joint, ce qui limite le choix des matériaux. Dans ce projet, nous avons étudié de nouvelles combinaisons de matériaux afin de réaliser des scellements dits à basse température.
Le projet Diavem2 a débuté en 2020 et s’est terminé fin 2022, pendant ces trois années de recherche collaborative, le pôle R&D du Cerfav, l’Institut de Soudure et Irepa Laser ont élaboré et testé un éventail de techniques de scellement verre/métal et de matériaux afin de valider les propriétés d’accrochage et de collage du verre et du métal, pour la réalisation de joints hermétiques destinés à différentes applications telle que la connectique.
Dans un premier temps, nous avons réalisé un état de l’art sur les verres compatibles avec des matériaux métalliques à bas point de fusion tel que l’aluminium. La difficulté réside dans les propriétés intrinsèquement différentes de ces deux types de matériaux. En effet, les alliages d’aluminium ont des températures de fusion faibles, de l’ordre de 500-600°C, et des coefficients de dilatation élevés avoisinant les 24.10-6K-1. Le verre quant à lui est un matériau avec en général, pour des verres à base de silice, des températures de fusion de l’ordre de 1100-1400°C et des coefficients de dilatation plus faibles avoisinant les 9.10-6K-1.
Ainsis pour permettre la réalisation de scellement à basse température avec des substrats métalliques tels que l’aluminium, la première étape a consisté à s’intéresser à l’élaboration de verre dit à bas point de fusion avec des coefficients de dilatation s’approchant des substrats métalliques en aluminium pour éviter des contraintes mécaniques fortes pouvant générer des fuites lors du scellement.
Les verres étudiés et élaborés lors des campagnes d’essai sont des verres techniques à base de phosphate. En raison de leur structure distincte des verres à base de silice, ces verres offrent des points de fusion très bas et des coefficients de dilatation plus élevés.
Suite à ces recherches, des plans de mélanges ont été développés, conduisant à l’élaboration d’un premier verre à base phosphate présentant une température de fusion faible (environ « 700°C ») et un coefficient de dilatation proche de celui de l’aluminium (environ « 18.10-6 K-1 »).
Ensuite, l’équipe a mené une étude approfondie pour développer un procédé de fabrication de préformes de verre en utilisant des techniques de pressage et de frittage de poudre de verre. Ce procédé permet de produire des préformes de verre fritté cylindriques de différents formats à partir de poudre, qui ont été essentielles pour concevoir des plans d’essai de scellement dans des boîtiers en aluminium.
Enfin, nous avons pu réaliser une campagne d’essai de scellement entre les préformes de verre phosphate et les boîtiers en aluminium, par la technique traditionnelle au four. Cette technique consiste à chauffer l’ensemble de la matrice (boîtier métallique et préforme de verre) dans un four afin de ramollir le verre à l’intérieur du boîtier et de contrôler le refroidissement de la matrice pour obtenir un scellement hermétique. Nous avons également mené des études sur le comportement et les interactions chimiques entre le verre et le boîtier à l’aide de diverses techniques d’analyse, afin de mieux comprendre le comportement de ces matériaux lors du scellement.
Les résultats ont montré la capacité des verres à base phosphate à fusionner à basse température et à avoir des caractéristiques intéressantes pour l’accrochage avec l’aluminium avec la création de liaison chimique.
Ce projet a donc permis d’approfondir les connaissances sur les sujets des scellements verre-métal, cependant des questions restent encore suspens, notamment sur l’amélioration des caractéristiques du verre phosphate élaboré, les potentielles liaisons chimiques qui se créent entre ces types de verres et l’alliage d’aluminium, ainsi que l’impact de l’état de surface du substrat métallique ainsi que l’utilisation d’un procédé de fabrication additive (GLAM) pour la réalisation de ces scellements.
Ces derniers questionnements vont pouvoir être étudiés dans le nouveau projet collaboratif SurfacePlus qui a débuté en 2023.
Ce projet a été mené en collaboration par plusieurs CRT : le Cerfav, l’Institut de Soudure et Irepa Laser. Il est cofinancé par la Région Grand Est et par l’Union Européenne avec le Fonds Européen de Développement Régional (FEDER)