Brevet FR2118096A1 — publié le 19720728

La présente invention concerne une matière pour pièces de résistance mécanique élevée électriquement conductrices subissant des contraintes thermiques, montées sur des machines ou des appareils, ces pièces présentant intérieurement une cavité fermée de tous côtés avec une couche capillaire,dans laquelle se trouve un fluide de transfert de la c valeur assurant le refroidissement de la pièce, et elle concerne également un procédé de fabrication de ces pièces. Il est connu d'utiliser des tubes de chaleur sur des machines ou appareils électriques, les parties subissant l'action de la chaleur étant protégées par un refroidissement contre les contraintes excessives. Dans ce cas, on place, par exemple, un liquide à l'intérieur de la cavité dans des couches de conformation réticulaire ou dans des capillaires formées à la surface des couches jouant le rôle de fluide de transfert de la chaleur ou-de refroidissement. Les capillaires acheminent le fluide de façon continue, des endroits à basse température aux endroits à température supérieure, sans que l'influence des forces extérieures ou des champs extérieurs les en empêchent. Par exemple, le fluide s'évapore aux endroits de température supérieure et rejoint ensuite les endroits relativement les plus froids, où il se condense de nouveau. Ce procédé permet d'évacuer une proportion considérable de la chaleur et de maintenir la pièce électriquement conductrice à un niveau de température qui garantit une résistance mécanique suffisante sous l'effet de contraintes déterminées. On obtient la couche ou la surface capillaire, selon des procédés connus, en incorporant des réseaux de type varié, en pratiquant par fraisage des rainures, mais aussi en fixant par frittage des matières en poudre sur le corps de base des pièces électriquement conductrices. Les procédés de fabrication compliqués et fastidieux représentent, dans ce cas, un inconvénient, de sorte que les frais industriels importants s'opposent à une utilisation générale de ces tubes de chaleur et en empêchent les progrès. Il existe, en outre, un autre inconvénient consistant en ce que la fabrication mécanique ne permet pas d'obtenir certaines dimensions de capillaires inférieures à 0,1 mm, cette valeur-limite ne pouvant être obtenue cru au prix de frais techniques supérieurs à la moyenne. Les procédés par frittage permettent certes de descendre au-dessous de la limite indiquée, mais on est de nouveau limité, par l'irrégularité de la répartition statistique des cavités dans le corps fritté, à environ 5 microns, car, au-dessous de ces valeurs, l'effet capillaire n'est guère sensible, et l'on ne peut plus faire circuler le fluide. L'invention se propose de supprimer les inconvénients précités et d'obtenir une simplification des procédés de fabrication. Pour atteindre ces objectifs, selon l'invention, la couche capillaire est constituée par un alliage comportant au moins deux phases sensiblement eutectiques , qui forme , en durcissant à partir de la masse fondue, une structure spatiale lamellaire ou réticulaire, l'une des phases étant au moins partiellement éliminée. Un mode d'exécution avantageux de tion est caractérisé en ce que la couche capillaire et le corps de base de la pièce électriquement conductrice sont constitués par un alliage sensiblement eutectique de même composition. Selon un autre mode d'exécution de l'invention, la couche capillaire est formée par un alliage comportant au moins deux phases sensiblement eutectiques, avec une première phase (a) à base de cuivre, et une seconde phase (ss) à base de composés intermétalliques des phases E du cuivre (CU Me 111). Selon un autre mode d'exécution de l'invention, l'alliage comportant plusieurs phases est un alliage renforcé aux fibres. Un procédé de fabrication de la pièce de résistance mécanique élevée, électriquement conductrice, subissant des contraintes thermiques, selon l'invention, est tarac- térisé en ce que l'on revêt au moins les parois intérieures de la cavité de la pièce d'une couche capillaire, ledit revêtement étant constitué par un alliage à plusieurs phases sensiblement eutectique, l'une au moins des phases formant dans la matrice pendant son durcissement à partir de la masse fondue, une structure spatiale lamellaire ou réticulaire, l'une au moins des phases étant ensuite éliminée sélectivement. Un autre mode d'exécution du procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le clurcissent nt est diri- gé, et a lieu à un gradient de température sensiblement constant et à une vitesse de cristallisation sensrblement constante. Selon un mode d'exécution particulier du procédé de fabrication envisagé, le gradient de température est d'au moins 50 C/cm, et la vitesse de cristallisation est comprise entre 1,4,1O,LC et 5,5.10-3 cm/s. Un mode d'exécution avantageux du procédé de fabrication de la pièce électriquement conductrice selon l'invention est caractérisé en ce que l'élimination de la phase a lieu par attaque électrolytique. En plus de l'avantage de la simplicité du procédé d'obtention des surfaces, on peut citer, comme autre avantage appréciable, le fait que les alliages eutectiques utilisés permettent un contrôle quantitatif large de la structure capillaire qui tend à mettre le processus de durcissement en accord avec des paramètres déterminés Des valeurs typiques de ces dimensions du réseau capillaire varieraient entre 0,5 et 20 microns. Pour transporter le liquide de transfert de la chaleur dans un tube de chaleur, il faut une surface réticulaire et formant des capillaires, qui transporte le fluide de transfert de la chaleur, des endroits à basse température aux endroits à température supérieure, même contre l'influence de forces. Par rapport aux procédés de réalisation classique de tels réseaux superficiels, qui consistent en l'insertion de réseaux de différents types, ou la formation de rainures par fraisage, en la fixation de poudres, par frittage, à la surface des parois, etc., on obtient l'avantage d'une nette simplification du procédé de réalisation, qui est particulièrement avantagjeuse lorsque la couche capillaire et le corps de base de la pièce électriquement conductrice sont réalisés en une même matière. On peut obtenir cela, par exemple, dans des pièces coulées où l'on ne distingue pas de différence entre les différents types de coulage, par exemple le coulage en sable, le coulage de précision ou le coulage sous pression. La description détaillée qui va suivre, et les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, feront mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins annexes la figure 1 représente la structure schématique d'un appareil de soudage éldctrique , et la figure~2 représente schématiquement la structure de la couche capillaire. La figure 1 représente la structure d'une machine de soudage par points qui comprend, du côté électrique, un circuit primaire 1 branché sur le réseau comportant des interrupteurs à plots 2, et un circuit secondaire 3 . C'est par le circuit secondaire 3 que les électrodes 4 et 5 reçoivent l'énergie nécessaire pour souder les tôles 6 et 7. Les électrodes 4 et 5 sont, en général, conformées de façon que la première joue le roule de poinçon mobile et la seconde d'enclume. Du fait que les électrodes 4 et 5 sont chauffées en cours de fonctionnement et doivent présenter une bonne conductibilité électrique avec une résistance mécanique élevée, il était toujours nécessaire, jusqu a présent, de les refroidir. On le faisait, en général, au moyen d'une gaine réfrigérante placée à l'intérieur des électrodes 4 et 5, traversée en permanence ou au moins en cours de fonctionnement par un liquide réfrigérant, pour garantir une certaine solidité des électrodes à la température de fonctionnement. Cela compliquait fortement la structure simple de la machine de soudage par points représentée, notamment la structure des électrodes, et ne permettait d'effectuer un échange qu'au bout de durées de remplacement assez longues. En outre, il fallait des travaux fastidieux pour la fabrication des électrodes elles#meAmes. Dans un certain mode d'exécution de l'invention, les électrodes 4 et 5 comportent une cavité intérieure 8, dont les parois comportent une couche capillaire 9 dans laquelle circule le fluide de transfert dela chaleur. Dans ce cas, le fluide, par exemple un liquide, s'échauffe suffisamment à l'extrémité chaude 10 de l'électrode 4 ou 5 pour s'évaporer. Les vapeurs parviennent ensuite à l'extrémité froide 11 de l'électrode 4, ou 5, où elles se condensent sur la couche capillaire 9 et reviennent à l'extrémité chaude 10 par les capillaires. Dans les pinces à électrodes de soudage ou les machines à souper classiques, le mode d'exécution des électrodes décrit jusqu a présent conduit à des détériorations fréquentes, du fait que les gaines réfrigérantes affaiblissent considérablement la section droite des électrodes, ou que les forces de pression dépassent pour peu de temps la résistance à chaud de la substance constituant les électrodes en cours de fonctionnement. On peut effectuer facilement l'évacuation de la chaleur selon l'invention à l'extrémité froide 11 des électrodes 4 et 5, en formant, dans les leviers qui transmettent les forces de pression et supportent les électrodes, par exemple des poches de refroidissement parcourues en permanence par du liquide réfrigérant, ou encore par de l'air réfrigérant. Cela présente l'avantage que l'on peut changer les électrodes en les insérant simplement dans le support après usure, sans qu'il y ait lieu de procéder à des travaux préalables sur le système de réfrigérant ou les joints. L'invention met à profit la structure des alliages eutectiques dont l'une des phases comprend des réseaux lamellaires ou réticulés irrégulièrement suivant les trois dimensions, le durcissement à partir de la masse fondue pouvant, en principe, avoir lieu même sans contre. Il est cependant--vantageux de préférer un durcissement dirigé de la matière, car cela permet d'obtenir une base plus favorable pour la formation de la structure capillaire. En éliminant sélectivement par attaque corrosive l'une des deux phases, on peut obtenir à la surface d'un tel réseau qui s'avère particulièrement approprié pour utiliser un tube de chaleur, comme le montre la figure 2 des dessins annexés. La différence de température que l'on peut obtenir avec l'agencement d'un tube de chaleur selon l'inven- tion dépend essentiellement de la conductibilité thermique de la matière de base et du liquide de travail. Lorsqu'on utilise,par exemple, des masses de sel fondues, elles pourraient être de plusieurs centaines de degrés.Si l'on choisit, comme exemple de sel de réirigération, SnI2 (température de fusion tf = 32000, point d'ébullition tue = 715 C, chaleur de vaporisation L = 23.800 cal/mole , poids moléculaire M = 372,5 g/mole) on peut déterminer approximativement que, pour une pression de vapeur de fonctionnement d'une atmosphère (t = 71500), une quantité de chaleur d'environ 119 cal/cm3 est évacuée. Il existe un grand nombre d'autres sels que l'on peut utiliser pour le fonctionnement à différentes températures. On peut, en outre, penser que l'on peut effectuer le fonctionnement sous une pression accrue (P supérieure à 1 atmosphère) et, par suite, améliorer encore l'évacuation de chaleur et, par suite, At . La figure 1 représente, à l'extrémité supérieure de l'électrode 4, deux cordons de soudure 12 qui indiquent la production de l'électrode. Il est, dans ce cas, sans Im- portance d'introduire la couche capillaire ultérieurement, ou de la former en même temps que le corps de base, si la couche capillaire 9 a été produite à partir d'un alliage du type précité, dont on considérera plus loin, avec davantage de détails, les propriétés. Il y a cependant lieu d'indiquer d'avance qu'après le durcissement de l'alliage, on décape la cavité 8 pendant une durée déterminée, de sorte qu'il se forme une surface capillaire 9, représentée sur la figure 2, sur la face intérieure des parois. On indique, sur le tableau I ci-dessous, quelques alliages convenant particulièrement bien, bien qu'en principe tous les alliages eutectiques, hypereutectiques ou hypoeutectiques, dans lesquels on peut contrôler les conditions de formation de la structure, conviennent. TABLEAU I Système d'alliage Température de fusion phase &alpha; Phase ss C phase a Phase B OC Au Si 370 A1 Si 577 A1 Al2Cu 548 Al A13Ni 640 Ou CuZrSi 1055 Ou CuZr(Sil,,Gex) ( Ou OuHfSi ( 1000 Ou CuHf(Sil~xGex) ( à Ou CuZrGe ( Ou CuHfGe ( 1200 Les alliages de cuivre eutectiques, indiqués sur le tableau I, qui peuvent aussi êtrerenforcés aux fibres, font partie des alliages convenant le mieux pour la construction de machines électriques, dont la seconde phase est formée par les phases dites phases E du cuivre. Les phases E sont formées essentiellement à partir de composés intermétalliques des constituants Cu(Me) (HL), Ou représentant le cuivre, et l'expression he pouvant être formée par le zirconiun Zr, l'hafnium Hf, ou un alliage de zirconium et d'hafnium, par exemple selon la formule Z1-x Hfx. Le composant HL est formé, de préférence, par les constituants Si (silicium , Ge (germanium) ou un alliage de silicium et de germanium, répondant, par exemple à la formule Sil,xGex . On peut aussi cependant remplacer le constituant Me par le titane Ti. Le tableau Il ci-dessous indique quelques valeurs des composants d'alliage, en pourcentage en volume et reproduit la répartition selon les phases et les intervalles avantageux. TABLEÀU Il Phase a Phase ss Cu-CuZrSi 85 - 90 15 - 5 Cu-CuZr(Si1-xGex) 70 - 90 30 - 10 Cu-CuRfbi 60 - 80 40 - 20 Cu-CuHf(Si1-xGex) 60 - 85 40 - 15 CU-cuZrl-xHfxSi 55 - 95 45 - 5 Cu-CuZr1-xHfxGe 55 - 95 45 - 5 Cu-CuZrGe 70 - go 30 - 10 Cu-CuHfGe 60 - 90 40 - 10 En général, il y a lieu de mentionner, dans ce cas, que la phase P, comprenant Ou, Me et H1, donne, en gé- néral, les meilleurs résultats dans la composition approximative 1 : 1 : 1. Le réseau de captage d'électrons représenté sur la figure 2 présente la structure résultante d'un alliage dont la composition est : 93,4 % en poids de cuivre, 5 5S0 en poids de zirconium et 1,6 /ó en poids de silicium. Cela représente un alliage renforcé aux fibres CuZrSi, dont la conductibilité thermique et la conductibilité électrique sont amoinaries de façon minime par les insertions. On peut accélérer avantageusement l'attaque corrosive de la matrice de cuivre, donc de la phase a, par décapage électrolytique. Un monte, dans ce cas, l'alliage comme anode et l'on effectue l'attaque avec une densité de courant de 0,9 h/cm2, sous 3 V, dans une solution d'acide nitrique à 5 %. Il va de soi que les explications précédentes sont également valables pour des pièces montées sur des machines électriques rotatives ou des éléments de circuit, qui chauffent pendant la marche ou la commutation, et dont on doit évacuer la chaleur pour maintenir des limites de résistance déterminées. R X Xvr I C A D I O N S 1. Matière pour pièces à résistance mécanique élevée, électriquement conductrices, subissant des contraintes thermiques, montes sur des machines ou des appareils, ces pièces présentant intérieurement une cavité fermée de tous côtés, avec une couche capillaire, dans laquelle se trouve un fluide de transfert de la chaleur assurant le refroidissement de la pièce, caractérisée en ce que la couche capillaire (9) est constituée par un alliage comportant au moins deux phases, sensiblement eutectique , qui forme, en durcissant à partir de la masse fondue, une structure spatiale lamellaire ou réticulaire, l'une des phases étant éliminée, au moins partiellement. 2. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que. la couche capillaire (9) et le corps de base de la pièce (4,5) électriquement conductrice comprennent un alliage sensiblement eutectique de même composition. 3. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que la couche capillaire est constituée par un alliage sensiblement eutectique comportant au moins deux phases une première phase (a) de cuivre, et une seconde phase (ss) de composés intermétalliques des phases E du cuivre (CuMeHL), 4. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage à plusieurs phases est un alliage renforcé par des fibres. 5. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 92 à 95 % en poids d'or, le reste étant du silicium. 6. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 75 à 95 % d'aluminium, le reste étant du silicium. 7. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 55 à 80 % en poids d'aluminium, le reste étant du cuivre. 8. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 90 à 99 % en poids d'aluminium, le reste étant du nickel. 9. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 85 à 95 % en volume de cuivre, le reste étant un composé intermétallique cuivre-zirconium-silicium (CuZrSi). 10. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 60 à 80 % en volume de cuivre, le reste étant un composé intermétallique cuivre-hafniumsilicium (CuHfSi). 11. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 70 à 90 % en volume de cuivre, le reste étant un composé intermétallique cuivre-zirconiumgermanium (CuZrGe). 12. Matière selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alliage comprend 60 à 90 % en volume de cuivre, le reste étant un composé intermétallique cuivre-hafniumgermanium (CuHfGe). 13. Matière selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisée en ce que l'alliage comprend 70 à 80 % en volume de cuivre, le reste étant un composé intermétallique cui vre-zirconium-silicium-germanium, de composition CuZrSil xGex. 14. Matière selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que l'alliage comprend 60 à 85 % en volume de cuivre, le reste étant un composé intermétallique cui vre-hafnium-silicium-germanîum, de composition CuHfSil xGex. 15. Procédé de fabrication de pièces de résistance mécanique élevée subissant des contraintes thermiques pour machines électriques et appareils, selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on revêt au moins les parois intérieures de la cavité de la pièce d'une couche capillaire, ledit revêtement étant constitué par un alliage à plusieurs phases sensiblement eutectiques, l'une au moins des phases formant dans la matrice, pendant son durcissement à partir de la masse fondue, une structure spatiale lamellaire ou réticulaire, l'une au moins des phases étant ensuite éliminée, au moins sélectivement. 16. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que le durcissement est dirigé, et qu'il a lieu à un gradient de température sensiblement constant et à une vitesse de cristallisation sensiblement constante. 17. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que le gradient de température est d'au moins 50 C/cm, et en ce que la Xitesse de cristallisation est comprise entre 1,4.10-4 et 5,5.10 cm/s. 18. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que l'élimination de la hase a lieu par attaque électrolytique.