Brevet FR2416270A1 — publié le 19790831

La présente invention concerne des matériaux composites à matrice métallique à haute résistance. Dans ces matériaux composites la matrice métallique est armée de fIbres relativement fragiles, par exemple, de fibres de bore, de carbone, d'oxydes, de carbures, etc. Les matériaux composites armés de telles fibres sont caractérisés par les hautes valeurs de leur résistance spécifique et de leur module d'élasticité ce qui permet de les utiliser dans l'aviation, les techniques spatiales et d'autres domaines techniques. On connait déjà des matériaux composites fibres-matrice métallique par exemple bore-aluminium, carbone-aluminium, carbure de silicium-titane, oxyde d'aluminium-nickel. Ce sont des matériaux dans lesquels la matrice métallique est armée de fibres d'un seul type, par exemple de fibres constituées uniquement de bore ou de carbone ou de carbure de silicium, jusqu'à un pourcentage en volume pouvant atteindre 60% du volume. Dans ces matériaux, on observe une grande dispersion de la résistance mécanique (jusqu'à 50) et une résistance mécanique 2 moyenne assez basse (80 à 130 kg/mm2) car, si le pourcentage de fibres atteint de grandes proportions volumiques (jusqu'à 60%) dans le matériau composite, le volume de la matrice est alors insuffisant pour cantonner la rupture des fibres qui se produit inévitablement aux points faibles. On connait également un matériau composite à matrice métallique armée de deux types de fibres : des fibres prin cipares,-relativement fragiles et des fibres complémentaires à haute résistance mécanique, sous forme de fil d'acier, ces fibres d'acier étant disposées orthogonalement ou transversalement par rapport aux fibres principales. Le fil d'acier est incorporé dans ce matériau composite pour élever sa résistance transversale. La résistance moyenne de ce matériau composite dans le sens des fibres principales est de 117 kg/mm2, tandis quels dispersion de la résistance est d'environ 50%. Ainsi, l'incorporation dans le matériau composite des fibres d'acier complémentaires n'améliore pas ses propriétés dans le sens des fibres principales. C'est pourquoi l'utilisation de ces matériaux dans les pièces de construction essentielles est limitée. La présente invention vise à réduire la dispersion de la résistance mécanique et à élever la résistance moyenne du matériau composite pour augmenter la fiabilité des pièces qui en sont constituées en trouvant les rapports volumiques optimaux des fibres principales et complémentaires et leur répartition dans le volume de la matrice métallique. L'invention propose un matériau composite à matrice métallique armée de fibres principales et de fibres à haute résistance complémentaires, régulièrement réparties et disposées dans le meme sens que les fibres principales. Soit à titre d'exemple un matériau composite dont la matrice métallique est en alliage d'aluminium (contenant en poids de 3,8 à 4,996 de cuivre, de 1,2 à 1,8% de magnésium, de 0,3 à 0,9% de manganèse) armée de fibres principales en bore et de fibres complémentaires en acier alLé(contenant en poids de 12 à 14% de chrome, de 12 à 14% de nickel, de 1 à 3% de molybdène) dans lequel les pourcentages en volume de la matrice, des fibres de bore et des fibres d'acier sont compris dans les plages suivantes : 49 à 51 ; 42 à 44 ; 4 à 7 ; ce matériau composite est caractérisé par une faible dispersion de la résistance de l'ordre de 5% et une haute résistance moyenne d'environ 150 kg/mm2 Le matériau composite selon l'invention comprend une matrice métallique dans laquelle sont introduites des fibres principales et des fibres complémentaires plastiques à haute résistance mécanique distribuées entre les fibres principales. Les fibres complémentaires doivent être obligatoirement réalisées en métaux ou alliages à haute résistance et orientées sensiblement parallèlement aux fibres principales, et il peut y avoir une fibre complémentaire pour une, deux ou trois fibres principales. La matrice peut être réalisée en alliages d'aluminium, de magnésium, de titane, etc. Comme fibres principales, on peut utiliser les fibres de bore, de carbure de silicium, d'alumine, de carbone, de graphite etc., tandis que tout fil plastique à haute résistance, par exemple, en acier, en molybdène, en tungstène peut servir de fibre complémentaire. Les procédés de fabrication du matériau composite de l'invention peuvent être variés, par exemple la pression à chaud, l'imprégnation, la pulvérisation, etc. Le matériau cpmposite proposé a une faible dispersion de sa résistance mécanique (environ 5%) et une haute résistance moyenne (environ 150 kg/mm2) qui sont dues à l'absorption, par les fibres complémentaires, de l'énergie élastique qui se dégage à-la rupture des fibres principales à leurs points faibles sous l'effet des contraintes. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre, faite en référence aux exemples donnés illustrant plusieurs modes de réalisation de l'envention et dans lesquels: Exemple 1. On utilise comme matrice un alliage d'aluminium (dont la composition en poids est la suivante : de 3,8 à 4,9% de cuivre, de 1,2 à 1,8% de magnésium, de 0,3 à 0,9% de manganèse, le surplus à 100% étant de l'aluminium) sous forme d'une feuille de 0,04 mm d'épaisseur. Sur cette feuille, on dispose des fibres principales en bore de 94 micromètres de diamètre ayant une résistance de 280 i 80 kg/mm2, la distance entre deux fibres de bore voisines étant de 0,15 mm environ on dispose également des fibres complémentaires sous forme d'un fil d'acier (de composition en poids suivante : de 12 à 14% de chrome, de 12 à 14% de nickel, de 1 à 3% de molybdène, la balance à 100% étant du fer) de diamètre .55 micromètres 2 de résistance de 380 à 400 kgimm . On prépare de la même façon plusieurs (6 à 10) feuilles identiques avec les deux catégories de fibres et on en fait un empilage ou paquet qu'on soumet à la pression sous vide dans les conditions suivantes température : 4850C, pression : 2,5 kg/mm2, durée : 1,5 h. Après la compression le matériau préssé est chauffé jusqu'à 5000C, puis trempé à l'eau, ensuite il subit un vieillissement artificiel ou revenu de la matrice à une température de 1600C durant 10 h. Dans le matériau obtenu, la part volumique de la matrice constitue 49 à 51%, celle des fibres de bore 42 à 4496 et celle des fibres d'acier complémentaires 6,5 à 7,0%. Le matériau composite ainsi élaboré a une résistance de 153 kg/mm2 et la dispersion de sa résistance est de 4%. A titre de comparaison, un matériau composite, sans fibres d'acier complémentaires, préparé a-ec les mêmes autres constituants que le matériau composite décrit ci-dessus et dans les mêmes conditions présente une résistance de 125 kg/mm2 et une dispersion de 13%. L'invention a permis de fabriquer des matériaux composites des compositions volumiques suivantes Exemple 2. Alliage de titane : 30 à 40%; fibres de bore recouvertes de carbure de silicium de 0,1 mm de diamètre : 45 à 60% fils de molybdène à haute résistance de O,0F~ mm de diamètre 5 à 15,'. Exemple 3. Alliage de titane : 30 à 35% ; fibres de carbure de silicium de 0,1 mm de diamètre : 50 à 60% ; fils de molybdène à haute résistance de 0,05 mm de diamètre : 5 à 10%. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Matériau composite à matrice métallique armée de fibres principales et de fibres plastiques à haute résistance complémentaires, caractérisé en ce que les fibres complémentaires sont régulièrement réparties dans le meme sens que les fibres principales. 2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est un alliage d'aluminium contenant en poids de 3,8 à 4,9% de cuivre, de 1,2 à 1,8% de magnésium, de 0,3 à 0,9% de manganèse en ce qu'elle est armée de fibres de bore et de fibres d'acier complémentaires contenant en poids de 12 à 14% de chrome, de 12 à 14% de nickel, de 1 à 3% de molybdène et en ce que les pourcentages en volume de la matrice, des fibres de bore et des fibres d'acier sont compris respectivement entre 49 et 51 ; 42 et 44 ; 4 et 7. 3. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est un alliage de titane, en ce qu'elle est armée de fibres de bore recouvertes de carbure de silicium et de fils ou fibres de molybdène à haute résistance et en ce que les pourcentages en volume de la matrice, des fibres de bore recouvertes et des fils ou fibres de molybdène sont compris, respectivement, entre 30 et 40 ; 45 et 60 ; 5 et 15. 4. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est un alliage de titane, en ce qu'elle est armée de fibres de carbure de silicium et de fils ou fibres de molybdène à haute résistance et en ce que les pourcentages en volume, de la matrice, des fibres de carbure de silicium et de fils ou fibres de molybdène sont compris, respectivement, entre 30 et 35 ; 50 et 60 ; 5 et 10.