Brevet FR2109009A1 — publié le 19720526

La présente invention, due à la collaboration de Messieurs Mlchel FRASELLE et Maurice THEOLIER du Laboratoire de Métallurgie de l'Institut National des Sclences Appliquées de LYON, de Monsieur le Professeur Charles EYRAUD du Laboratoire de Chimie Appliquée et de Génie Chimique de la Faculté des Sciences de Lyon et de Monsieur Jean ELSTON du Commissariat à l'énergie Atomique, a pour objet un procédé d'élaboration de matériaux composites métall0ques, et, à titre de produit industriel.nouveau, les matériaux composites métalliques réalisés selon ce procédé. Il a été décrit dans le brevet français n 1.217049 pris le 18 Novembre 1958 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique un procédé d'élaboration de masses métalliques par frittage à basse température. Ce procédé est essentiellement caractérisé en ce qu'on délabre à température modérée, sous forme très divisée, un métal comportant un taux de phase amorphe élevé e en ce qu'on réalise par compression à froid ou à tempéra are modérée la soudure des cristallites ou des grains de métal entre eux. La présente invention vise un procédé d'élaboration de matériaux composites métalliques, par frittage à basse température, présentant des propriétés mécaniques accrues vis-à-aris de celles des matériaux obtenus par le procédé décrit dans le brevet français n 1.217.049. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'on élabore à température modérée, sous forme très divisée, la matrice métallique du matériau composite, par décomposition thermique sous vide d'un sel métallique organique et dans laquelle on incorpore des filaments métalliques Du des fibres céramiques ou des trichites, et en ce qu'on réalise le frittage des cristallites par ccmpressicn sous vide à basse température. Les soudures lntergranulalres entre les cristallites qui rés-jltent de la décomposition thermique étant réalisées '-rs de la compression, il convient de conserver une texture aussi fine que possible avant le compactage du matériau csmpslte.-Pour cela, il est nécessaire, en particulier, que la température de décomposition thermique -soit faible, afin de conserver toutes les propriétés liées à la finesse de la texture de la matrice. Un métal finement divisé étant très oxydable et, pouvant même être pyrophorique, toutes les opérations doivent être effectuées de préférence sous vide ou encore sous atmosphère inerte. La décomposition thermique se faisant plus rapidement sous vide, on peut utiliser des températures de réaction plus faibles, ce qui est avantageux pour les raisons évoquées ci-dessus. Suivant la manière dont on choisit les divers paramètres du procédé: état initial du sel métallique, cycle thermique de la décomposition, pression et température de compactage, etc... on obtient une masse métallique plus ou moins compacte. 'Parmi les sels métalliques, ce sont ceux dont les poids moléculaires sont les plus faibles qui se décomposent aux températures les plus basses. A titre d'exemple, on peut citer les formiates, les oxalates ou chélates de fer, nickel, cuivre, cobalt ou argent. Dans les matériaux obtenus par le procédé conforme à l'invention, la matrice joue les rôles suivants: - elle lie les fibres entre elles tout en protégeant leur surface contrc tout dommage pouvant les altérer, - elle sépare les fibres les unes des autres pour éviter leur endommagement par contact; - elle permet la répartition des contraintes dans toute la pièce lors de la mise en charge, grâce à un module d'élasticité de la matrice nettement plus faible que celui des fibres de renforcement. En utilisant des fibres métalliques à haute limite élastique telles que des fibres en tungstène ou en molybdène par exemple, on obtient des matériaux composites présentant des propriétés mécaniques supérieures à celles de la matrice seule. L'emploi des trichites (SiC - A1203) ou des fibres 'céramiques (Si02vitreuse) confèrent aussi des caractéristiques mécaniques très élevées aux produits obtenus. En se référant à la figure ci-jointe qui montre une vue schématique d'un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, on va décrire quelques exemples de mise en oeuvre du procédé d'élaboration de matériaux composites, objet de l'invention. Ces exemples n'ont aucun caractère limitatif quant à la nature des produits de départ, les températures et atmosphères gazeuses utilisées. Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples, devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci. Exemple 1 Un mélange de 21,6 g de formiate de nickel et de 1,8 g de fibres courtes de tungstène de 12 microns de diamètre et de 120 microns de longueur est placé en 1 dans la matrice 2 sur la face supérieure du piston inférieur 3 sur lequel s'effectuera la compression. Le piston supérieur 4, creusé selon ses génératrices de quelques rainures 15 permettant le départ des produits gazeux de ia réaction, est mis en place. Le piston 4 est solidaire d1un poussoir 5. Un ressort 6 l'empêche de comprimer la poudre avant et pendant la décomposition. L'ensemble matrice, poudre et piston est placé à l'intérieur d'un four 7, une cloche à vide 8 vient coiffer le tout. Le couvercle 9 de la cloche 8 est muni dsun tombac 10 qui assure l'étanchéité entre la cloche et le poussoir 5.Le couvercle 9 est fixé sur la cloche 8 par des vis à six pans creux telles que 11. L'intérieur de la cloche est en relation avec une pompe à vide (non représentée sur le dessin) par un orifice 12. Un thermocouple fer-constantan 13, dont la soudure est logée dans un petit troll percé dans le piston inférieur 3, permet le contrôle précis de la température de la réaction. L'étanchéité est assurée par un joint torique. La cloche à vide est à double paroi de manière à permettre à une circulation d'eau de refroidir le joint torique. L'ensemble est placé sur le plateau d'une presse non représentée. On fait le vide, puis on chauffe jusqu'à 3000C, on maintient cette température pendant 45 minutes et on comprime sous une pression de 3 tonnes /cm pendant 5 minutes. On laisse refroidir complètement sous vide avant d'ouvrir la matrice. On obtient ainsi une pastille pesant 9 g, contenant 1,8 g de fibres de tungstène et 7,2 g de nickel, de densité 8,52 et de resistance à la rupture a R = 46 daN/mm2. Exemple 2 Un mélange contenant 24 g de formiate de nickel et 0,9 g de fibres de tungstène de 12 microns de diamètre et 120 microns de longueur subit un traitement identique à celui de l'exemple 1. On obtient une pastille pesant 9 g, contenant 0,9 g de fibre de tungstène et 8,1 g de nickel, de densité 8,33 et de résistance à la rupture o R = 56 daN/mm2. Exemple 3 Un mélange contenant 21,6 g de formiate de nickel et 1,8 g de fibres de tungstène de 12 microns de diamètre et 240 microns de longueur subit un traitement identique à celui de l'exemple 1. On obtient une pastille de 9 g contenant 1,8 g de fibres de tungstène et 7,2 g de nickel de densité 8,45 et de résistance à la rupture aR = 65 daN/mm. Exemple 4 Un mélange contenant 21,6 g de formiate de nickel et 1,8 g de fibres de molybdène de 25 microns de diamètre et 250 microns de longueur subit un traitement identique à celui de l'exemple 1. On obtient une pastille de 9 g contenant 1,8 g de fibres de molybdène et 7,2 g de nickel de densité 7,65 et de résistance à la rupture a R = 51 daN/mm. Exemple 5 Un mélange contenant 24 g de formiate de nickel et 0,9 g de fibres de molybdène de 25 microns de diamètre et 250 microns de longueur subit un traitement identique à celui de l'exemple 1. On obtient une pastille de 9 g contenant 0,9 g de fibres de molybdène et 8,1 g de nickel de densité 7,60 et de résistance à la rupture a R = 45 daN/mm. Exemple 6 Un mélange contenant 21,6 g de formiate de nickel et 1,8 g de fibres'de molybdène de 25 microns de diamètre et de 500 microns de longueur subit un traitement identique à celui de l'exemple 1. On obtient une pastille de 9 g contenant 1,8 g de fibres de molybdène et 7,2 g de nickel de densité 7,69 et de résistance à la rupture o R = 59 daN/mm. Le procédé conforme à l'invention présente entre autres avantages: - de mettre en oeuvre des températures modérées, ce qui évite l'altération et la réduction des propriétés mécaniques des éléments de renforcement, - de permettre l'obtention de pièces de formes compliquées sans usinage ultérieur. REVEND ICATIONS 10) Procédé d'élaboration de matériaux composites métalliques caractérisé en ce qu'on élabore, à température modérée sous forme très divisée, la matrice métallique du matériau composite par décomposition thermique sous vide d'un sel métallique organique et dans laquelle on incorpore des filaments métalliques ou des fibres céramiques ou des trichites et en ce qu'on réalise le frittage des cristallites par compression sous vide à basse température. 20) Matériaux composites métalliques caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par application du procédé suivant la revendication 1.