Brevet FR2257384A1 — publié le 19750808

La présente invention se réfère de façon générale a la liaison par diffusion liquide à ltinterface de pièces -en titane et en alliage de ce métal. Elle vise plus particulièrement des pannea#ux en nid abeilles dans lesquels on utilise un genre de diffusion à l'état liquide-solide en vue d'établir une liaison physique entre les surfaces en affleurement des corps à assembler. On connait déjà dans la technique des procédés de liaison par brasage et diffusion pour l'assemblage de panneaux en nid d'abeilles. Ces procédés ont été utilisesseparement avec un certain succès, mais ils ne se sont pas avérés entièrement satisfaisants dans la pratique pour les raisons exposées ci-après. Le procédé par brasage exige la fusion d'une matière ou alliage de remplissage qui, à ltétat fondu, s'écoule par effet capillaire dans les vides toujours présents sur les surfaces en regard des pièces métalliques à assembler. Il nty a pas fusion du métal de base lui-même. Le procédé ajoute donc au système constitué par ce métal un ou plusieurs autres métaux en vue de réaliser la jonction. Le métal ainsi ajouté non seulement coule sur des surfaces autres que celles nécessaires pour réaliser le joint brasé, mais encore augmente de façon notable le poids de l'ensemble. Il est courant par exemple de relever un poids supplémentaire de 500 à i 200 grammes par mètre carré de panneau en nid d'abeilles lorsqu on utilise une feuille d'alliage de brasage de 0,05 mm. Les métaux de remplissage qui ne diffusent par rapidement dans le métal de base sont considérés comme n'étant pas réactifs, alors qu'au contraire on qualifie de réactifs ceux dont la diffusion est rapide. Le métal ou alliage de remplissage comporte un point de fusion bien inférieur à celui du métal de base des pièces à assembler et il arrive fréquemment que de tels métaux de remplissage réagissent avec le métal de base dont ils dégradent les propriétés. Le titane, par exemple, est difficile à braser parce qu'il est fortement réactif vis-à-vis de la plupart des métaux de remplissage.Par ailleurs dans bien des cas les métaux de remplissage qui n'affecteùt pas de façon sensible les propriétés du métal de base ne comportent pas les caractéristiques requises pour remplir les conditions prévues, telles par exemple que la non-corrodibilité, la résistance aux températures élevées et la ténacité, propriétés qu T on obtient normalement à partir des mécanismes constitués par les métaux de base eux-mêmes. On appelle généralement liaison par diffusion un procédé d'as semblage à l'état solide ne comportant aucune fusion, ne mettant en oeuvre aucune matière étrangère défavorable et dans lequel la jonction n'est obtenue que par la diffusion propre ou par des réactions à l'état solide des matériaux considérés dans les conditions voulues de propreté, de température et de pression. Le contact métal contre métal sous pression élevée est essentiel pour la mise en oeuvre du procédé. Il est assuré par la déformation plastique des matériaux, généralement réalisée par fluage. Une fois le contact réalisé dans des conditions de propreté extrême, la diffusion à l'é- tat solide sTeffectue.- Ce problème d'établir un contact métal contre métal dans ces conditions de très grande propreté constitue quelque chose d'important.Toutefois l'obtention du contact par fluage exige du temps alors que la propreté se dégrade en fonction de celuici. La réalisation de pareils contacts par déformation ou fluage plastique est souvent impossible, notamment si l'on cherche à appliquer le procédé à des dispositifs de panneaux en nid d'abeilles. La présente invention. vise un procédé de diffusion à l'état liquide et solide combinés en vue d'assembler des pièces en titane et alliage de ce métal, et qui élimine# substantiellement les difficultés associées aux procédés de liaison par diffusion de la techni- que antérieure tout en en conservant les avantages. On interpose entre les bords en. vis à. vis des corps à assembler, une petite quantité de nickel, cuivre et argent, en. vue de réaliser un pont de diffusion. Ces métaux d'interposition sont disposés sous la forme de couches de Ni, Cu, Ag, Cu et Ni dans l'ordre ci-dessus ou sous forme d'un alliage des métaux précités. En variante les métaux utilisés sont .Cu, Ni et Cu, interposés dans tordre ou sous forme d'alliage. On chauffe alors les articles dans une atmosphère protectrice pour les porter de la température ambiante à une température plus élevée pour laquelle la diffusion à l'état solide apparaît, tandis que le chauffage détermine la formation d'une composition eutectique qui devient liquide pendant une courte période de temps à une température .inférieure au point de fusion et au point de transition béta de l'un quelconque des métaux en cause. On élève la température à une vitesse controlée j us qu'à atteindre un niveau prédéterminé qu'on maintient pendant un temps assez long pour que l'eutectique fondu se solidifie à nouveau et dilue par diffusion à l'état solide les métaux constitutifs du pont et le titane lui-même en vue de permettre la formation d'un alliage déterminé au point de liaison.On écarte alors la source de chauffage et l'on abaisse la température jusqu'à l'ambiance suivant une période de refroidissement prédéterminée tout en maintenant l'atmosphère protectrice. L'interposition des matières. constitutives du pont entre les surfaces en regard destinées à être assemblées est préférablement réalisée en disposant une couche mince des métaux ou alliages choisis sous forme laminaire sur les arêtes du nid d'abeilles. Cette mise en place peut se réaliser par tout moyen approprié, par exemple par brossage (Dalic), par galvanoplastie, par dépôt en vapeur ou par projection de poudre à la flamme. La galvanoplastie semble préféra- ble car elle assure le contrôle du volume et de la disposition des matériaux de recouvrement. Le but essentiel du pont est- d'établir un contact métal contre métal et p-ar conséquent une liaison par diffusion entre les surfaces en vis à. vis, de sorte que le transfert atomique puisse se réaliser et que la diffusion à l'état solide subséquente se trouve accélérée. On obtient ainsi rapidement une jonction par diffusion stable-et il se forme en outre de minuscules filets qui améliorent des propriétés de l'assemblage, telles que la résistance à la fatigue, au cisaillement et à la tension à plat. On peut utiliser divers moyens connus pour retenir l'ensemble des pièces en vue de leur liaison par le procédé combiné de diffuslon liquide à l'interface suivant la présente invention. De ineme plusieurs moyens connus peuvent être mis en oeuvre pour appliquer la chaleur, le chauffage sous. vide poussé semblant préférable. Le nettoyage efficace du titane çonstitue une phase importante du procédé global de recouvrement et de liaison par diffusion de panneaux en nid d'abeilles suivant l'invention, en vue d'empêcher la contamination du titane. La présente invention vise ainsi un procédé original et perfectionné pour la réalisation d'un joint par diffusion stabilisé entre deux pièces dont chacune est constituée par du titane ou un alliage à base de ce métal. L'invention vise encore': - à établir un joint de liaison entre deux organes dont chacun est constitué par du titane ou un alliage à base de ce métal et qui combine les caractéristiques. désirables des procédés de diffusion à l'état liquide et à l'état solide - à réaliser un procédé pour établir une interface liquide sur les surfaces en regard de pièces en titane ou alliage à base de titane qu'on désire assemb#ler par diffusion, en vue de faire apparaître entre elles un pont propre à assurer la diffusion atomique accélérée sans nuire aux propriétés des matières de base de ces pièces, ni augmenter leur- poids de façon appréciable - à établir un procédé combiné de liaison par diffusion à l'état solide et à l'état liquide en vue d'assembler l'âme et les feuilles extérieures de panneaux métalliques en nid d'abeilles faits en titane et alliages à base de ce métal - à réduire l'augmentation de poids total lors de la liaison d'une âme de titane à des feuilles extérieures ou pièces massives de ce métal - à réaliser un procédé de liaison par diffusion liquide et solide à l'interface, caractérisé par la formation de grains des matériaux de base sur le joint de liaison et par la diffusion des matières de brasage dans la zone de joint - à contrôler la quantité et la disposition des couches des métaux de pont dans un procédé de liaison par diffusion à l'état liquide à l'interface et dans le joint obtenu. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptiblede procurer Fig. 1 reproduit une micrographie montrant la condition superficielle réelle de pièces à assembler. Fig. 2 montre à la même échelle l'interface liquide et le pont de diffusion sur les faces en regard de ces pièces conformément au procédé suivant l'invention. Fig. 3 représente le transfert atomique des matériaux de base tel que réalisé par -le pont de diffusion, en indiquant en outre la dilution des matériaux constitutifs de ce pont. Fig. 4 est une coupe à très grande échelle d'une arête d'une âme en nid d'abeilles montrant les recouvrements successifs de métaux différents suivant leur succession préférée, en vue de constituer l'interface liquide sur l'une au moins des surfaces à lier conformément à la présente invention. Fig. 5 est un graphique représentant un exemple de cycle de liaison dans la mise en oeuvre du procédé combiné de- diffusion par interface liquide suivant l'invention. L'invention concerne la liaison de pièces en titane et alliage de.ce métal, préférablement de réseaux en nid d'abeilles. Pour une meilleure compréhension de l'invention on se référera tout d'abord à fig. 1 du dessin annexé. Les pièces A et B qu'on désire assembler ne sont ni parfaitement planes, ni parfaitement propres, comme montré en fig. 1 qui représente à un très fort agrandissement les parties en vis à vis de ces pièces. Pour réaliser une liaison par diffusion à l'interface de A et B, il est indispensable d'établir un état d'extrême propre- té des pièces et de mettre en oeuvre une pression et une température élevées pendant de longues périodes de temps sans provoquer une déformation not#able, ni une dégradation sensible des propriétés mécaniques comme cela pourrait résulter d'unexcès de temps, de température ou de pression. Suivant les méthodes de la technique antérieure, cette liaison par auto-diffusion peut s'effectuer soit par une déformation sous contrainte contrôlée, c'est-à-dire en utilisant des pressions qui dépassent la résistance de la matière à la température de liaison, soit par fluage contrôlé, un long temps devant s'écouler pour réaliser un contact métal contre métal au droit des vides de l'interface avant que la diffusion atomique ne puisse débuter. La méthode de déformation par fluage plastique exige des états de surface ultrapropres, mais en raison des temps d'exposition relativement- courts et de la forte pression de serrage des pièces, l'ensemble obtenu après liaison risque moins que ses propretés physiques ne soient affectées du fait de la présence d'impuretés atmosphériques.Les procédés par lent fluage contrôlé comportent au contraire un caractère critique en ce qui concerne l'état de propreté superfieielle et ils exigent en outre. une atmosphère protectrice ou un vide profond pour empêcher la contamination et la perte des.qualités physiques. Les deux procédés utilisent le fluage plastique des constituants- à lier. Le procédé par déformation sous contrainte contrôlée exige des pé rides de temps relativement courtes. à la température de chauffage et il est par conséquent préférable de ce fait, mais il nécessite de fortes pressions et. un état de grande propreté aux environs de S250C. Par ailleurs il faut prévoir des investissements importants pour les appareils destinés à appliquer les fortes pressions aux pièces à lier pendant que celles-ci se trouvent à une température élevée. Il convient en outre que cet appareillage soit débarrassé de tout contaminant. Le procédé par fluage contrôlé exige de son côté des temps très longs pour obtenir le fluage plastique nécessaire à la réalisation du contact atomique des constituants.Pendant ces périodes prolongées à température élevée, le titane absorbe de ltoxy- gène et autres contaminants, ce qui rend le procédé encore moins désirable. Fig. 2 et 3 montrent les caractéristiques et les résultats- du procédé de liaison par diffusion avec interface liquide suivant l'invention, ainsi que le joint obtenu par ce procédé. En fig. 2 la zone L représente la matière constitutive du pont après qu'elle ait fondu, et peu après qu'elle soit devenue solide. On dispose une petite quantité de cette matière sur les surfaces devant entrer en contact de l'une au moins des pièces A et B qu'on désire assembler, puis on chauffe celles-ci et la matière interposée jusqu'à atteindre au moins la température d'eutexie. On remarquera que les vides de fig. 1 ont été remplis quand-la matière est devenue liquide. On élève la température au-dessus de 8000C et préférablement vers 925 a 9500C mais de toute manière en restant au-dessous du point de transition béta de l'alliage de titane, pendant un temps sufisant pour que l'eutectique se solidifie à nouveau et continue à diffuser à l'état solide, comme montré en D en fig. 3. On a représenté en fig. 4 l'ordre préféré de dépôt des matières constitutives du pont pour la mise en oeuvre de l'invention. Cette figure reproduit à très grande échelle la micrographie d'une arête d'une âme en titane .comportant les recouvrements successifs .- Ceux-ci comportent en succession une couche 83 de Ni, une autre 84 de Cu, une troisième 85 d'Ag, une quatrième 86 de Cu et enfin une dernière d de Ni. Les proportions totales de ces divers métaux de recouvrement sont les suivantes : Ni 38 à 45 %, Cu 38 à 45 % et Ag 10 à 24 %. Les pourcentages préférés pour les diverses couches sont couche 83 Ni 21 %, couche 84 Cu 21 %, couche 85 Ag 16 %, couche 86 Cu 21 % et couche 87 Ni.21 %. L'épaisseur totale du recouvrement d'interface ne doit préférablement pas dépasser la valeur requise pour une diffusion suffisante avec le matériau de base en vue de constituer une bonne composition de liaison avec 88 à 100 % de titane ou alliage de titane au joint. Pour lier un réseau en nid d'abeilles avec une feuille, il faut entre 10 et .50 grammes de métaux de pont par mètre carré de réseau. Pour assurer la liaison de deux feuilles entre elles, cette quantité s'élève à 60 à 120 grammes par mètre carré de surfaces en vis à vis. Après avoir monté et fixé les pièces du panneau, on place lten- semble dans une atmosphère protectrice en vue de procéder au chauf fage. Le cycle correspondant dépend de la géométrie de ces pièces et de leur configuration. La vitesse de montée en température est fonction des gradients thermiques dans le système constitué par les pièces et leurs outillages de#maintien. Comme à ltordinaire on tient ces gradients à des valeurs relativement faibles. Ainsi que le montre fig. 5, on élève la température à l'intérieur du four à raison de 500C par minute jusqu a environ 7500C ; les gradients thermiques doivent alors être amenés à environ 250C ou moins.On abaisse donc la vitesse d'échauffement jusqu'à ce que ces gradients soient descendus à moins de I00C quand les pièces atteignent .8700 C. La pratique a montré qu'il était acceptable d'élever la température à raison d'environ 100C par minute entre 750 et 8700C. Pendant ce temps le cuivre et l'argent du pont réagissent pour donner naissance à une pâte faite de liquide et de solide, ce qui accélère le potentiel de diffusion des matières constitutives du pont et du titane -aux hautes températures. A 8700C l'on réduit la vitesse d'échauffement à environ 10C par minute en vue de contrôler les gradients thermiques et d'assurer le temps nécessaire à la diffusion des métaux du pont. On élève ainsi la température jusque vers 925 à 9500 C. Pendant ce temps lton ob- tient par diffusion un eutectique de titane,de cuivre et de nickel sous la forme d'un liquide qui remplit entièrement les vides toujours présents entre les surfaces à lier, tout en donnant naissace à un filet minuscule. Le temps de formation du liquide est court parce -que la diffusion du titane en se poursuivant modifie rapidement la composition du mélange fondu pour la faire passer de l'euteetique à un alliage enrichi en titane.Ce phénomène provoque une solidifica- tion isothermique. On maintient ltensemble ainsi lié à la haute température précitée pour permettre aux métaux constitutifs du pont de diffuser au maximum loin du joint. Comme on peut le voir en fig. 5, le temps nécessaire à cette diffusion dépend de la température. Il semble préférable de tenir celle-ci à 9250C pendant 90 minutes, étant entendu que de plus longues durées assurent une diffusion plus complète des métaux précités à partir du joint. On comprend en outre que les températures plus élevées donnent lieu à une diffusion plus rapide ; toutefois elles augmentent le risque de dépasser le point de transition béta de l'alliage de titane. On procède alors au cycle de refroidissement, lequel dépend des gradients thermiques susceptibles de provoquer dans l'ensemble des contraintes résiduelles indésirables. La pratique consiste donc à refroidir aussi rapidement que cela est possible sans faire appa raître de forts gradients susceptibles d'occasionner dés torsions et des contraintes thermiques. Il est nécessaire d'a#dopter une vitesse de refroidissement de moins de 250C par minute jusqu'à environ 6500C, température à partir de laquelle on peut aller jusqu'à 500C par minute. Au début du cycle le vide profond mis en oeuvre est de l'ordre de 10 5 torr ; on l'augmente jusqu'à environ 10 torr, va- leur à laquelle on le maintient pendant la phase de diffusion secondaire et celle de refroidissement.Quand l'on a atteint S350C ou moins, l'on peut exposer le système à une atmosphère inerte pour accélérer le refroidissement. L'assemblage n'est pas mis en présence de l'air ambiant avant de se trouver à moins de 1500C. En variante, à ce qui précède l'on peut réaliser le recouvrement indiqué en fig. 4 à l'aide de trois couches seulement, par exemple en supprimant les couches extrêmes 83 et 87. Les trois couches conservées sont alors les suivantes : couche 84 Cu, couche 85 Ni et couche 86 Cu. Les proportions totales de ces deux métaux sont pour Ni 40 à 60 % et pour Cu 60 à 40 %, le rapport 50 t-50 % semblant préférable. Chacune des deux couches 84 et 86 renferme la moitié du cuivre. Toutes les autres indications données plus haut valent pour cette. variante, tant en ce qui concerne la quantité de métaux de pont à mettre en oeuvre que pour ce qui est du processus opératoire. L'invention permet donc bien de réaliser un procédé de liaison par diffusion du titane qui évite la déformation des métaux de base soit par fluage, soit par contrainte, et qui peut être mis en oeuvre à des frais moindres et avec un temps opératoire moins long que ce qu'il a été possible d'obtenir jusqu'ici. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits. par tous autres équivalents. REVENDI CATI ON s 1. Procédé pour la liaison par diffusion liquide à l'interface de pièces en titane ou alliage à base de titane, notamment d'un réseau en nid d'abeilles avec les feuilles qui l'entourent, ou de feuilles les unes avec les autres, caractérisé en ce qu'il comprend les phases opératoires ci-après - - on dépose sur les surfaces à lier de façon successive et sous forme de feuilles au moins deux métaux propres à constituer la matière constitutive d'un pont de liaison entre les pièces à lier ; - l'on assemble les surfaces en vis à vis avec la matière de pont disposée entre elles ; - l'on soumet ces surfaces à une pression positive suffisante pour les maintenir en position et en alignement pendant leur jonction ; - on place-l'ensemble dans une atmosphère protectrice ;; - et pendant que lesdites surfaces sont ainsi maintenues dans cette atmosphère, on élève la température en premier lieu pour provoquer une diffusion atomique d'une part dans les feuilles de la matière de #pont et d'autre part entre celie-ci et le titane, en second lieu pour provoquer la fusion de l'alliage eutectique formé en suite de cette diffusion, et en troisième lieu pour maintenir la température à un niveau prédéterminé au dessus du point de fusion de l'eutectique pendant un temps suffisant après que cet eutectique se soit à nouveau solidifié, en vue de diluer la matière de pont et le titane dans la zone du joint par un phénomène de diffusion solide entre eux i - lesdites feuilles comprenant au moins du nickel et du cuivre en proportions-en poids substantiellement égales. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les feuilles sont disposées suivant des couches successives de cuivre,. de nickel et de cuivre et dans l'ordre ci-dessus. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le cuivre est réparti par moitié entre la première et la troisième. couche. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le poids des -feuilles est d'environ 10 à 50 grammes par mètre carré de réseau en nid d'abeilles à lier avec deux feuilles 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le poids des feuilles est d'environ 60 à 120 grammes par mètre carré de feuilles à lier ensemble. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que le nickel et le cuivre des couches représentent chacun 40 à 60 % du poids total des feuilles. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que la matière de pont qui se trouve à l'interface des pièces représente moins de 12 % du poids des métaux à cet interface. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que l'atmosphère protectrice est constituée par un. vide d'environ 10 5 à 10 6 torr, tandis que la température est élevée à raison d'environ 500C par minute jusqu'à environ 7 & 0 C, puis à raison d'environ 100C par minute jusqu a environ 8700C et enfin à raison d'environ 10C par minute jusqu'à environ 925 à 9500C. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que les feuilles comprennent en outre une couche d'argent. 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les feuilles sont disposées suivant des couches successives de nickel, de cuivre, d'argent, de cuivre et de nickel et dans l'ordre ci-dessus. il. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la proportion d'argent dans les feuilles est d'environ 10 à 24# % en poids, les proportions de cuivre et de nickel, substantiellement égales l'une à l'autre, représentant au total 90 à 76 % du poids des feuilles. .12. Ensembles obtenus par mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, et dans lesquels les constituants ne renferment substantiellement pas de métal de pont en dehors de la zone du joint. 13. Ensemble suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le joint renferme de 88 à 100 % de titane ou d'alliage à base de ce métal.