Brevet FR2243165A1 — publié le 19750404

La presente invention, due à la collaboration de Messieurs André BOURRASSE, Bernard DEVIN, Jean-Paul DURANT et Jacques GU;LARDEAU du Commissariat à lWEnergie Atomique et de Monsieur Robert FARON de la Société des USINES CHIMIQUES de PIERRELATTE, est reiative à un procedé pour la réalisation d'une jonction résistante et étanche au vide, entre une pièce en un matériau céramique et une pièce métallique, de formes quelconques, et s'applique notamment à la fabrication de scellements entre couples céramique-métal dans lesquels, selon les propriétés requises vis-à-vis de l'atmosphère ambiante, de la tenue aux chocs thermiques et de la résistance mécanique, la céramique est choisie parmi l'-aluaine, l'onde d'yttrium, les silico-aluminates, les carbures, ... et le métal parmi le niobium, le tungstène, le molybdène, le tantale ou leurs alliages ... . De préférence, mais de façon non exclusive, l'invention s'applique au couple niobium-alumine, dont les deux éléments ont des coefficients de dilatations voisins, sont peu sensibles à la corrosion par les métaux alcalins et enfin sont aptes à supporter des températures élevées, sans modifications notables de leur propriétés mécaniques, le scellement réalisé étant plus spécialement adapté à l'isolement électrique et à l'étanchéité à haute température des diodes thermoélectroniques à vapeur de césium. On connait dé3à diverses solutions pour réaliser une liaison étanche entre une pièce métallique et une céramique, notamment au moyen d'une brasure. Ainsi, dans le cas du couple niobium-alumine très pure, en particulier dépourvue de silice, on utilise généralement des brasures en alliages platine-cuivre, titane-fer, zirconium-béryîlium-rhénium-, titane-nickel, zirconium-béryllium, niobium-vanadium, tantale-vanadium- zirco- nium, etc .., . Or, ces solutions classiques sont de façon constante très onéreuses, les pièces à relier entre elles devant subir préalablement à la brasure, un usinage extrêmement soigné de leurs surfaces.De plus, les températures de refusion des brasures sont habituellement faibles, ce qui conduit à des défauts de mouillage des éléments à sceller ou à des réactions avec ces derniers. D'autres solutions consistent également à réaliser la formation de cermets intermédtaires à composition évolutive, mais exigent des pressions isostatiques élevées à très haute température et nécessitent un appareillage complexe et co La présente invention a pour objet un procédé de scellement d'une pièce en un matériau céramique sur une pièce métallique qui évite les inconvénients des solutions antérieures, notamment en assurant la réalisation d'une liaison étanche, adhérente et mécaniquement résistante, même avec des états de surface médiocres de la céramique utilisée. A cet effet, le procédé considéré se caractérise en ce qu'il consiste à réaliser, à partir d'une phase gazeuse, un dépôt métallique de faible épaisseur assurant la jonction entre la pièce céramique et la pièce métallique. De préférence, on soude la pièce métallique sur le dépit de métal par diffusion intermétallique sous pression et température contrôlées, après interposition d'unfilm mince d'un autre métal, favorisant la diffusion sous pression et température. Par ailleurs et dans un mode de mise en oeuvre parti- culier de 1 'invention, appliqué notamment au scellémënt d'une pièce en alumine sur une pièce en niobium, on réalise le dépôt métallique à l'intérieur d'une enceinte fermée, par réduction de fluorure de niobLum par de l'hydrogène. D'autres caractéristiques du procédé considéré apparaf- tront encore à travers la description qui suit de deux exemples particuliers de mise en oeuvre. Sur le dessin annexé, les Fig. 1,2 et 3 illustrent schématiquement les différentes étapes du procédé, permettant la réalisation du scellement d'une pièce en cBràmfque sur une pièce métallique. Dans une première étape du procédé selon l'invention, on réalise sur la pièce en céramique un déport mince du métal de l'autre pièce -A cet effet, on utilise une enceinte fermée I, schématiquement représentée sur la Fig. 1 et comportant une conduite d'amenée 2 et une conduite de sortie 3 pour un mélange réactif gazeux dont la composition sera indiquée plus loin A l'intérieur de l'enceinte est disposé un enroulement inducteur 4 permettant de chauffer la pièce en céramique 5 se présentant généralement sous forme dlune bague cyllndr que, à une température convenable.Cette pièce 5 repose sur des fils de niobium 6, solidaires d'un noyau de graphite 7 déjà recouvert de niobium. L'élément est suspendu au centre du circuit inductif 4 par un til de niobium 11. Ont fait alors passer dans lSenrsule- ment inducteur 4 un courant électrique de raçon à le coupler par induction avec l'élément 7 et à porter celui-ci à une température suffisamment élevée. La pièce 5 est directement chauffée par rayonnement 3usqu'à la température choisie. On introduit ensuite dans l'enceinte I par la canalisation 2, un débit convenable d'un mélange réactif gazeux comportant un sel volatil du métal de la pièce métallique à sceller et un réducteur approprié, de manière à procéder dans les conditions de température et de pression régnant dans l'enceinte, à la réduction du sel du métal et à ia formation d'un dépôt unciforme 8 sur la surface de la pièce 5 dont l'épaisseur est aisément contrôlable (Fig. 2;;- Lorsque l'épaisseur de ce dépôt 8 devient suffisante, la pièce céramique 5 commence à coupler elle-même avec le champ haute fréquence produit par l'enroulement inducteur 4. I1 est alors possible de retlrer l'élément 7 qui n'a plus d'utilité, la pièce 5 repose alors sur quatre fils de niobium 9 solidaires d'un support 10 de graphite dé3à recouvert de niobium, le proces- sus se poursuivant ensuite 3usqu'à obtenlr l'épaisseur du dépit 8 désirée. La cinétique du dépit est suivie en continu tandis que la pièce céramique est périodiquement retournée, en particulier chaque fois que l'épaisseur augmente d'environ 100 i, afin de recouvir toutes les parties de pièce et en particulier celles en contact avec les fils 9. Dans une dernière étape du procédé, illustrée sur la Fig 3, la pièce 5 avec sa couche de dépit 8 est retirée de l'enceinte et placée dans un rour 12 de manière à permettre un soudage par diffusion sur cette pièce céramique d'au moins une pièce métallique, et notamment de deux collets, respectivement 13 et 14 de même nature que le métal du dépit 8. De préférence, ces collets comportent dans leurs surfaces en reaard de ia pièce en céramique, une légère couche d'un métal intermédiaire :nickel, titane, ou fer ...> facilitant l'opération de soudage par diffusion intermétallique, en agissant à forte concentration sur la soudure puis en se diluant dans la masse du métal des collets. Les surfaces de ceux-ci sont préalablement soigneusement dressées, puis polies mécaniquement de manière à permettre le dépôt du métal intermédiaire par éiectro-déposition, vaporisation ou badigeonnage. Les pièces ainsi préparées sont alors placées dans le four 12, puis soumises sous un vide de l'ordre de 1.10 4 torr, à des températures supérleures à 9000, et sont enfin appliquées étroitement contre la pièce en céramique 5 par exemple par deux pistons 15 et 16, exergant une compression adaptée à la natùre de la soudure réalisée pendant une période déterminée.Bien entendu, il va de soi que le choix des trois paramètres, pression temps et température, est lié aux caractéristiques de fluage du métal des collets et est déterminé de manière à permettre un contact intime sur toute la surface de soudure sans toutefois provoquer de déformation inadmissible. Une fois le scellement des pièces réalisé, on poursuit avantageusement la diffusion du métal intermédiaire, ce qui permet d'obtenir à l'issue du traitement une teneur très faible. On termine la fabrication du scellement par un recuit à plus haute température sous vide, notamment de façon telle que la liaison soit dans ce cas entièrement recristallisée. Une fois la liaison terminée, une dernière opération consiste à usiner sur la pièce en céramique une gorge entre les collets pour éliminer le dépit mince en cet endroit et établir une discontinuité électrique d'isolement par la pièce en c-éramique- entre les deux pièces métalliques. A titre indicatif, on donne ci-après deux exemples pratiques de réalisation d'un scellement entre une pièce en alumine et des collets de niobium, réalisé conformément au procédé de l'invention Exemple 1 a) préparation de la piece en matériau céramique On part d'une bague cylindrique en alumine dont la pureté est de l'ordre de 99,958 et qui présente après rectification, les cotes ci-apres: diamètre intérieur 16,7 mm, diamètre extérieur 21,5 mm, hauteur 6 mm. b) dépôt métallique sur la pièce céramique La bague en céramique est préalablement dégazée sous vide à 10 3 torr, pendant environ une heure à la température ambiante, puis est introduite dans l'enceinte de réaction. L'élévation de la température de la bague en alumine est réalisée à l'intérieur de l'enceinte, en couplant avec l'enroulement inducteur une pièce de graphite recouverte de niobium et introduite au centre de la bague d'alumine, elle-même supportée par une nacelle en niobium, suspendue par des fils également en niobium. Le couplage inductif entre l'enroulement et la pièce de graphite permet de porter cette dernière à une température comprise entre 1450 et 15000C. La bague d'alumine à son tour chauffée par rayonnement à partir de la pièce de graphite, atteint une température comprise entre 1150 et 12000C, celle-ci étant maintenue pendant 30 mn environ. Dans la phase suivante, on introduit dans l'enceinte le mélange réactif gazeux, constitué par du fluorure de niobium NbF5 sous un débit de 400 cm3/h et de l'hydrogène sous un débit de 2000 cm37h., la pression dans l'enceinte étant maintenue à 3,10-2 torr environ. La bague d'alumine se recouvre alors progresslvement d'une couche mince de niobium. Lorsque le dépôt de niobium sur la bague d'alumine atteint une épaisseur convenable, cette bague couple -directement avec le champ haute fréquence. On retire alors la pièce de graphite en laissant la température stabilisée à 12500C, les débits du mélange réactif gazeux n'étant pas modifiés. Lorsque l'épalsseur du dépôt atteint 0,27 mm environ à l'intérieur de la bague et 0,44 mm à l'extérieur, on arrête le processus, en retirant de l'enceinte de réaction la bague d'alumine avec sa couche externe de niobium. c) soudure de collets en niobium sur le dépit mince recouvrant la bague d'alumine On procède dans une opération préalable, à la rectification des surfaces des extrémités de la bague d'alumine recouverte de niobium et des surfaces des deux collets à souder sur celle-ci, puis on dépose par vaporisation sous vide ou autre méthode, un film mince d'un métal intermédiaire, notamment du fer, sur les surfaces en regard. Les collets se présentent sous la forme de bagues cylindriques de diamètre 16,7 mm et de diamètre extérieur 25,8 mm. La bague d'alumine est placée entre les deux collets et subit une compression sous un vide de 10 4 torr, pendant 2h environ, à 1100 C, sous une pression d'application de 300 kg/cm, Le scellement obtenu est enfin recuit pendant 10 h à 12000C pour faire diffuser le fer du film intermédiaire et abaisser sa teneur dans le scellement. Exemple 2 Les conditions de préparation de la bague en alumine et de dépôt de la couche mince de niobium sont identiques à celles de l'exemple 1. Dans cette variante, le recuit final du scellement est réalisé pendant 30 h à 17000C, ce qui permet d'obtenir un pourcentage du métal intermédiaire dans la liaison, inférieur a 500 ppm. Dans l'un et l'autre des exemples précédents, on réalise un scellement étanche au vide et parfaitement résistant du point de vue mécanique, les ruptures par essais de traction se produisant toujours dans la piece en alumine elle-même, sous 548 kg dans l'exemple 1 et sous 1235 kg dans l'exemple 2. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à ces exemples particuliers de mise en oeuvre; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de scellement d'une pièce en matériau céramique sur une pièce métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser, à partir d'une phase gazeuse, un dépôt métallique de faible épaisseur assurant la jonction entre la pièce céramique et la pièce métallique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soude par diffusion intermétallique sous pression et température contrlees, après interposition d 1un film mince d'un autre métal, favorisant la diffusion sous pression et température. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la pièce en ceramique est en alumine et la pièce métallique en niobium, caractérisé en ce qu'on réalise le dépôt métallique à 1 'intérieur d'une enceinte fermée, par réduction du fluorure de niobium par de l'hydrogène.