Projet ANR-11-RMNP-0011 – NANOTICAL : NANOcomposites préparés par broyage et frittage réactifs, renforcés par du TiC et à matrice ALuminium
Programme : Matériaux et Procédés pour des Produits Performants (MATETPRO) 2011
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Laurent CHAFFRON (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives - Saclay)
Partenaires : Direction de l'Énergie Nucléaire; EADS IW EADS FRANCE - Innovation Works; Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces; MECACHROME FRANCE
Montant : 630852.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : L'intérêt des Composites à Matrice Métallique par rapport aux alliages légers réside principalement dans la valeur très élevée des rapports module élastique/densité et limite d’élasticité/densité. Néanmoins, les CMM actuels qui sont obtenus par solidification ou par soudage diffusion, présentent des contraintes d’élaboration avec à la clé une détérioration des propriétés mécaniques. Par comparaison, les Nano-CMM préparés par broyage et traitements thermiques courts offrent une bonne homogénéité et des tailles de renforts inférieures de un à deux ordres de grandeurs à ceux des CMM classiques, ce qui élargit leur domaine d’utilisation. L’objectif du projet NANOTICAL est donc l’élaboration d’un nanocomposite à matrice aluminium à très fine dispersion de carbure de titane ou de bore qui permettra non seulement de renforcer la matrice d’aluminium, mais aussi de garantir une très faible rugosité de surface. Le procédé de fabrication envisagé consiste à combiner 2 techniques complémentaires, qui ne nécessitent aucune matière première de taille nanométrique. Ceci est un point important dans le contexte très controversé de la sécurité des personnes vis-à-vis du risque « nano ». La première technique mise en œuvre est le procédé de broyage dont le rôle va être d’homogénéiser à l’échelle la plus fine possible les précurseurs constitués des éléments de base. La seconde est un frittage réactif qui a pour but, d’une part de former le composé voulu et d’autre part de densifier au maximum le matériau obtenu. Une étude préliminaire menée au CEA a permis de montrer la faisabilité d’échantillons de taille centimétrique constitués de particules nanométriques de TiC enrobées dans une matrice d’aluminium à partir d’un mélange initial constitué d’aluminiure de Ti et d’un graphite standard. Les premières caractérisations mécaniques en traction à froid semblent très prometteuses et montrent que le matériau obtenu possède un allongement de l’ordre de 7%, compatible avec les applications envisagées par EADS IW. Cependant, il reste un travail important pour arriver à fabriquer ce nouveau nanocomposite Al/TiC à une échelle préindustrielle. Notamment, il faudra mettre en œuvre des moyens de broyage disponibles chez MECACHROME, qui vont au delà des quantités obtenues avec un broyeur de laboratoire, afin de disposer de suffisamment de matière pour aller jusqu’à une caractérisation complète. D’autre part, les solutions envisagées pour densifier totalement le composite, qui existent industriellement, reposent sur l’utilisation de moyen de chauffage avec des vitesses de montée en température extrêmement élevées, associé à la possibilité d’appliquer une charge. L’extrusion à chaud assistée par un chauffage inductif et le Spark Plasma Sintering seront les 2 voies privilégiées pour l’élaboration du nanocomposite. De plus, nous proposons d’appliquer ce nouveau procédé de fabrication in situ à un autre système Al/B4C car le module spécifique du composite est supérieur à celui de Al/TiC et de plus, la densité du matériau est nettement plus faible, ce qui permettrait de profiter pleinement du gain de masse pour les applications envisagées dans l’aéronautique. Les propriétés mécaniques des composites vont dépendre de la résistance de l’interface entre le métal et la céramique. La voie de synthèse par frittage réactif et formation in-situ de la matrice et des particules de renfort est originale et nécessite de maîtriser les réactions se produisant aux interfaces, en favorisant les réactions d’intérêt et en évitant les réactions parasites. Fort de son expérience, le Laboratoire des Multi-matériaux et Interfaces s’attachera à étudier les aspects thermodynamiques et cinétiques de la réactivité entre les matériaux précurseurs afin d’orienter l’élaboration des nanocomposites vers des conditions optimales (température, temps, composition), de favoriser la cinétique des réactions de formation des particules de renforts tout en évitant les réactions néfastes dans ces systèmes.