Brevet FR2407268A1 — publié le 19790525

La présente invention concerne un procédé de préparation de matières métalliques composites armées de fibres. La demande croissante portant sur les métaux légers et très robustes a favorisé le développement d'un certain nombre de techniques de préparation de matières composites métalliques armées de fibres. L'incorporation efficace de fibres monocrisiallines de résistance mécanique élevée ou trichites dans un liant métallique donne une combinaison des propriétés métalliques du métal et de celles des fibres de résistance mécanique très élevée. Par exemple, les procédés métallurgiques normaux permettent la préparation d'un alliage tallique de résistance mécanique élevée mais la rigidité des métaux reste la même.Cependant, lorsque des trichites de carbure de silicium ayant une rigidité d'environ 5,25.1011 Pa sont combinées à de l'aluminium dont la rigidité est d'environ 7.1010 Pa, la matière métallique composite formée a une rigidité bien supérieure à celle de l'aluminium. Ainsi, une ma tière composite comprenant 80 % en volume d'aluminium et 20 z en volume de trichites de carbure de silicium aurait une rigidité pratiquement égale à celle de l'acier mais sans augmentation notable du poids. On obtiendrait ainsi de l'aluminium ayant la rigidité de l'acier mais dont la résistance à la corboson et le poids seraient ceux de l'aluminium. De nombreuses difficultés rencontrées au cours de la préparation des matières composites métalliques armées de fibres et de nouveaux procédés destinés à remédier à ces difficultés sont décrits dans des brevets des Etats-Unis d'Amérique n" 3 441 392, 3 498 890, 3 668 748, 3 828 417 et 3 833 697. Bien que les procédés décrits dans ces brevets soient très avantageux par rapport à la technique connue, ils concernent la production de matières métalliques composites contenant des trichites de dimension- relativement importante. Les trichites utilisées au cours de ces opérations ont un diamètre de l'ordure de quelques dizaines de microns pouvant atteindre normalement 30 microns, et des longueurs pouvant atteindre 13 mm.Ensuite, la technologie des fibres céramiques a progressé si bien que des trichites microscopi quesdont le diamètre varie entre une valeur inférieure au mi cron et une limite supérieure inférieure à 10 microns, sont maintenant facilement disponibles. Des trichites de graphite VM0032 vendues par Union Carbide Corporation sont disponibles avec des diamètres compris entre 1 et 9 microns, alors que des trichites de carbure de silicium vendues par Exxon Enterprises, Salt Lake City, Utah ont des diamètres o inférieurs au micron, compris entre 500 et 1000 A. Les trichites microscopiques utilisées comme armaturesd'un métal donnent un produit composite métallique d'excellentes propriétés. Une dispersion uniforme de ces trichites dans une matière composite assure la disponibilité d'un nombre importante de fibres d'armature, dans une zone déterminée. Par exemple, sous forme non combinée, 250 millions de fibres de carbure de silicium "Exxon" environ occupent seulement environ 16 cm3. La longueur de ces fibres est inférieure au diamètre des fibres couramment utilisées au cours des procédés connus de formation de matières métalliques composites.Jusqu'à présent, on a constaté que les trichites céramiques microscopiques de diamètre compris entre moins d'un micron et moins de 10 microns, ne convenaient pas dans les matières composites à liant métal lique.Par exemple, lors de l'utilisation de fibres de carbure o dont le diamètre est gf;mpris entre 500 et 1000 A, la liaison d'une résine époxyde ou d'une matière plastique fondue autour des fils est difficile sans formation de trous ou de cavités, et, dans le cas d'une poudre métallique, cette difficulté est multipliée. Les fibres doivent être dispersées uniformément dans la poudre métallique, et cette dispersion uniforme doit alors être maintenue lorsque le mélange de la poudre et des fibres est disposé dans une cavité de moulage. L'invention concerne un procédé de préparation d'une matière composite à liant métallique, armée par de très fines fibres microscopiques. L'invention concerne aussi un procédé de préparation de matières composites à liant métallique contenant des fibres d'armature dont le diamètre est inférieur à 10 microns et qui constituent des trichites d'armature efficaces. Elle concerne aussi un procédé de préparation d'une matière composite à liant métallique dans laquelle de très fines fibres microscopiques sont mélangées à une poudre métallique et à un véhicule, et sont alors extrudées à températures ambiante, plusieurs fois, afin que les fibres soient réparties de façon pratiquement uniforme dans le liant métallique. Le véhicule utilisé pour le mélange est alors retiré de la matière et la répartition est conservée. L'invention concerne aussi un procédé de préparation d'une matière composite à liant métallique selon lequel de très fines fibres microscopiques sont mélangées à une poudre métallique sous une forme dispersée uniformément, et sont ensuite traitées dans une cavité de moulage qui permet la formation d'une billette métallique armée de fibres. Plus précisément, l'invention concerne un procédé qui commence par préparation d'un mélange de fibres et d'une poudre métallique de base. Le liant métallique doit être sous forme d'une fine poudre métallique de dimension particulaire inférieure à 74 microns et de préférence inférieure à 43 microns. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3 441 392, 3 668 697 et 3 833 697 décrivent des poudres métalliques qui conviennent à cet effet. On peut aussi utiliser une poudre pure d'aluminium et des compositions à base de poudre d'aluminium, de dimension particulaire inférieure à 43 microns, portant les références 6061, 2024, 7075, 5052 et 1100, disponibles auprès de Reynolds Aluminium Company, Richmond, Virginie. Les fibres etla poudre métallique sont d'abord pesées afin que les fibres forment 10 à 30 % du volume total du mélange. Le volume le plus avantageux pour les fibres est de l'ordre de 20 %, car on constate que cette valeur donne la plus grande fa cilité d'incorporation au liant métallique. Comme indiqué pré cedemment, les fibres ont un diamètre inférieur à 10 microns et peuvent être formées de graphite ou de carbure de silicium. Elles sont microscopiques et sont orientées de façon aléatoire. Les fibres individuelles n'ont pas une longueur apparente, sauf lorsqu'on les observe au microscope. Après détermination par pesée des quantités des fibres et de la poudre métallique, on place le tout dans un grand récipient et on agite. Dans un cas idéal, cette agitation a lieu dans un véhicule fondu à base de camphène, pendant 5 à 10 min. Le volume de camphène utilise doit être au moins égal au volume total du mélange des fibres et de la poudre métallique et dépasse de préférence ce volume. On constate qu'un véhicule tel que le camphène est utile pour le maintien de la dispersion et de l'orientation des fibres, lorsque les fibres microscopiques ont été disper sées et orientées dans ie liant métallique. Le véhicule utilisé à cet effet doit avoir une faible température de fusion, ne doit pas réagir avec le liant métallique utilisé, doit s 'évaporer en ne laissant pratiquement aucun résidu et doit permettre une extrusion à température ambiante. Le camphène brut vendu par the Eastman Kodak Company cu the Glidden Durkee Company est facilement disponible, mais on constate qu'il attaque l'aluminium et d'autres poudres métalliques. Cependant, une simple distillation sous vide du camphène brut rend son utilisation convenable dans le cadre du procédé de l'invention. On constate que le camphène distillé, obtenu par traitement du camphène brut par un seul cycle de distillation sous vide, donne satisfaction sous forme d'un véhicule, bien que le camphène distillé plus pur, obtenu après plusieurs cycles de distillation, soit encore plus avantageux. Le camphène distillé fond à 529C environ, et le camphène fondu est introduit dans le récipient de mélange avec les quantités mesurées de poudre métallique et de fibres microscopiques. Après agitation et mélange dans le récipient pendant 5 à 15 min, la température de la matière résultante est abaissée par réfrigération jusqu'à solidification de la totalité du camphène. Le mélange réfrigéré comprenant la poudre métallique et les fibres dans le camphène formant le véhicule est au mieux très mal dispersé. Les fibres sont bien plus légères que le liant métallique et en général la configuration et la dimension des fibres et les dimensions des particules de poudre métallique varient beaucoup. Si une billette métallique composite et robuste doit être obtenue à partir du mélange, il faut que les fibres soient uniformément réparties dans le liant métallique. Une bonne répartition des fibres et de la poudre métallique est obtenue par extrusion du mélange réfrigéré, à température ambiante, après solidification du véhicule formé par le camphène. Le bloc réfrigéré contenant le mélange est donc extrudé par une filière classique d'extrusion, et l'opération d'extrusion est répétée au moins trois fois. Cette pluralité d'extrusionsprovoque la formation d'une matière mélangée ayant une excellente répartition de fibres microscopiques dans le liant formé par la poudre métallique. Bien cutil faille au minimum trois extrusions, des extrusions supplémentaires peuvent être utilisées jusqu'à l'obtention de la meilleure ré- partition.Après trois extrusions, la répartition des fibres peut être vérifiée au microscope et elle peut être revérifiée apreschaque extrusion supplémentaire. Lorsque les opérations d'extrusion ont été terminées, mélange de camphène, de fibres et de poudre est placé dans une chambre qui peut être mise sous vide afin que le camphène s'évapore sous vide. Le camphène évaporé peut être retenu et réutilise et, lorsque la totalité du camphène s'est évaporée du mélange, celui-ci qui est alors sec, peut subir un traitement de consolidation sous forme de billettes. L'appareil de préparation des billettes est tout à fait classique et il comprend une matrice cylindrique d'acier ou de graphite, un poinçon ou un plongeur, un dispositif de chauffage, un thermocouple de mesure de température et une presse (hydraulique). Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 441 392 précité décrit un appareil qui convient à la mise en oeuvre de cette opération. Le mélange sec est alors versé doucement dans la cavité de la matrice ou du moule,et la poudre métallique, apparemment fixée aux fibres de façon très lâche, ne se sépare pas. I1 est probable que le mince film residuel huileux laissé par les constituants du camphène est reponsable de ce comportement avantageux. Si le mélange devait se séparer, la répartition serait perturbée et la qualité de la billette serait mauvaise. Après remplissage de la cavité de la matrice ou du moule par le mélange, un poinçon est disposé dans la cavité et une pression d'au moins 3,5.106 Pa et de préférence com 6 7 prise entre 7.106 et 1,05.107 Pa est appliquée au mélange par le poinçon. Là encore, étant donné la présence du film laissé par le véhicule sur la poudre et les fibres1 la détérioration des fibres, lors de l'application de la charge est minimale, car il apparaît que le film joue le rôle d'un lubrifiant. Il est important de noter que, contrairement au procédé décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique nO 3 441 392, le procédé de l'invention concerne l'application d'une pression au mélange disposé dans la cavite de la matrice alors que le mélange est à température ambiante. L'ensemble comprenant alors le poinçon et la matrice est alors rapidement chauffé à une température supérieure à la température de fusion de la poudre métallique, le poinçon restant en place, mais avec augmentation faible ou nulle de la pression appliquée au poinçon. Une seconde pression calculée est alors appliquée, par calcul du volume qu'occuperait le mélange s'il était densifié à 100 %, étant donné que le volume de la matrice et la quantité de mélange présent dans celle-ci sont connus.Par exemple, 2,7 g d'aluminium, occupent un volume de 1 cm3, en l'absence de cavités.De manière analogue, 2,7 g d'aluminium et 3,17 g de fibres de carbure de silicium occupent 2 cm3 en l'absence de cavités.L'utilisation de la loi des mélanges pour le calcul du volume que doit occuper le mélange dans la matrice, en l'absence de cavités, permet le calcul du dénla- ceent nécessaire du poinçon dans la matrice-afin qu'il ne reste que ce volume, dépourvu de cavités. Ainsi, le déplacement nécessaire du poinçon qui doit avoir lieu après chauffage de la cavité de la matrice est calculé de manière que le mélange passe à l'état semi-fondu. La pression nécessaire au déplacement du poinçon vers le bas de cette distance est alors utilisée, quelle que soit sa valeur qui dépasse en général 7 1,4.107 Pa. Tout l'air est chassé du mélange et le métal fondu enrobe simultmément les fibres. Le trajet du poinçon ou du piston est choisi délibérément à une valeur supérieure d'environ 5 % à la valeur calculée afin que la densification soit totale, et l'excès de métal fondu s'échappe de la matrice par l'espace annulaire délimité entre la matrice et le poinçon. Cet excès de trajet de 5 % du poinçon dans la cavité de la matrice peut être obtenu facilement par calcul d'un des volumes à température ambiante. Comme le mélange qui se trouve dans la cavité de la matrice est chauffé lorsque la pression est appliquée à nouveau, la dilatation thermique du mélange donne un léger excès nécessaire nour que la billette comprimée soit pratiquement dépourvue de cavités.La pression est maintenue et la matrice et la billette se refroidissent. La billette froide est alors éjectée de la matrice et on peut l'utiliser. Les températures nécessaires afin que les divers mélanges métal-fibres soient à l'état semi-fondu, dans l'étape finale de compression, sont décrites en détail dans les brevets précités des Etats-Unis d'Amérique nO 3 441 392 et 3 833 697, et l'appareil et les températures décrits dans ces brevets sont utilisés pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Comme indiqué précédemment, le procédé de formation de la billette terminée diffère du procédédécrit dans les brevets précités en ce que la pression est appliquée initialement au mélange qui se trouve dans la matrice, à température ambiante. La matrice est alors retenue contre le mélange initialement comprimé alors que la température de la cavité de la matrice est élevée de manière que le mélange passe à l'état semi-fondu décrit dans les brevets précités.Le poinçon est alors déplacé jusqu'au point prédéterminé dans la matrice afin que la billette subisse la densification voulue. Lorsque des fibres microscopiques doivent être réparties uniformément dans un mélange d'une poudre métallique et de fibres, elles peuvent être comprimées à température ambiante sans détérioration des fibres. Cette étape de compression à froid est extrêmement avantageuse car elle provoque la suppression de la plupart des cavités de mélange avant chauffage, et élimine en conséquence le déplacement relatif important entre les particules de poudre métallique et les fibres qui pourrait avoir lieu après chauffage et pourrait perturber la répartition régulière des fibres dans le mélange semi-fondu. L'application d'une pression importante avant chauffage assure la compression du mélange et facilite le maintien à température uniforme dans le mélange au cours de l'étape ultérieure de compression, car la masse du mélange à chauffer est alors nettement réduite. Le procédé selon l'invention est utilise de façon efficace avec des fibres microscopiques de graphite et de carbure de silicium, comme décrit dans les exemples qui suivent. ExEPrw.l On place des fibres de graphite VM0032 de Union Carbide Company, ayant des- diamètres compris entre 1 et 9 microns, dans un mélaEeur, avec de la poudre d'aluminium de dimension particulaire inférieure 43 microns, ainsi qu'avec du camphene distillé fondu. Les fibres de graphite forment 20 % du volume du mélange total de la poudre métallique et des fibres. On agite le mélange pendant 5 à 15 min puis on le refroidit jusqu'd solidification du camphène. On extrude alors 4 fois le mélange solidifié puis on l'enveloppe dans une serviette en papier et on le place dans une chambre sous vide. Le camphène s'évapore alors sous vide et le mélange sec est alors placé avec précaution dans une cavité d'un moule. Un poinçon est alors placé dans la cavité et le mélange subit une compression initiale à température ambiante, à une pression 6 d'moins 3,5,106 Pa. Après la compression initiale et sans augmentation de la pression appliquée au poinçon, le moule est chauffé a une température supérieure a la température de fsion de la poudre d'aluminium, et le poinçon est alors repoussé vers l'intérieur de la cavité afin que la dimension de celle-ci diminue à la valeur occupée par le mélange pour une densité théorique de-100 %. La cavité est alors refroidie, le poinçon restant en place, et la billette terminée est éjectée. EXEMPLE 2 On place des fibres de carbure de silicium de Exxon Enterprises ayant des diamètres compris entre 500 et o 1000 A, dans un récipient, avec de la poudre d'aluminium de dimension inférieure à 43 microns, et on fait subir un malaxage destiné à la désintégration des agglomérats de fibres et à l'adhérence des poudres aux fibres. Les fibres de carbure de silicium forment 20 % du volume du mélange de la poudre métallique et des fibres et, après malaxage, les fibres extrêmement fines forment avec la poudre un mélange qui a une consistance pâteuse, si bien que l'utilisation d'un véhicule de mélange tel que le camphène n'est pas nécessaire. Le mélange pâteux subit alors une extrusion, trois fois consécutives, à température ambiante, et on le place alors dans une cavité d'un moule. On introduit un poinçon qui permet la compression du mélange à une pression d'au moins 3,5.106 Pa, à température élevée, et on chauffe alors le moule, sans augmentation de la pression, à une valeur supérieure à la température de fusion de la poudre d'aluminium. Le poinçon est alors repoussé vers l'intérieur de la cavité afin que celle-ci diminue, comme indiqué précédemment, et donne la densité maximale, la cavité subissant ensuite un refroidissement avant éjection de la billette terminée. On constate que des fibres microscopiques de carbure de silicium peuvent subir une pression atteignant 2,8.107 Pa pendant l'opération de compression à froid, qui est extrêmement avantageuse, car ces fibres restent réparties uniformément dans la poudre métallique pendant cette compression à froid. Inversement, lorsque le mélange est initialement chauffé à l'état semi-fondu, le mouvement des fibres dans le métal semi-fondu est bien plus important. On peut utiliser un véhicule différant du camphène pour l'adhérence du métal aux fibres microscopiques, et pour la formation d'une billette pratiquement dépourvue de cavités. De la poudre de magnésium qui est en général extrêmement inflammable, peut être alliée à l'aluminium pour la formation d'un tel véhicule. EXEMPLE 3 On place des fibres de carbure de silicium de Exxon Enterprises ayant des diamètres compris entre 500 et 1000 A, dans un creuset de fer avec de la poudre de magnésium de dimension particulaire inférieure à 58 millimicrons, et on chauffe le mélange en atmosphère inerte à une température inférieure à la température de fusion du magnésium mais suffisamment élevée pour que le magnésium s' évapore facilement (ctest-à- dire à 6000C). On agite le mélange lors du chauffage, jusqu'd ce que lesfibres deviennent brunes, étant donné l'adhérence du magnésium qui s'évapore. On ajoute alors de la poudre d'aluminium de dimension particulaire inférieure à 40 A, dans le mélange chaud, et on agite le tout jusqu'à ce que les fibres deviennent grises.Un eutectique se forme lorsque la poudre d'aluminium rencontre le magnésium et l'aluminium fond, s'étale et adhère. Etant donné que le magnésium s'allie à l'aluminium, les fibres revêtues ne sont pas inflammables. On fait alors subir aux fibres revêtues un refroidissement et on les mélange à une quantité suffisante de poudre supplémentaire d'aluminium pour que les fibres forment environ 20 en volume du mélange, puis on met en oeuvre les diverses étapes décrites dans l'exemple 2 pour la formation d'une billette. L'étape de compression à froid du procédé selon llin- vention permet ensuite un chauffage du mélange à la seule température nécessaire au maintien du métal ou de l'alliage dans un état compris entre le solidus et le liquidus. Comme la compression à froid assure la mise des fibres pratiquement à leur position finale dans le mélange, ce dernioepeut ensuite être chauffé à une température bien supérieure à la température de fusion de la poudre d'alliage ou de métal si bien que la poudre d'alliage ou de métal est totalement fondue pendant l'étape finale de compression à chaud. REVEND ICAT IONS 1. Procédé de préparation d'une matière composite métallique armée de fibres, caractérisé en ce qu'il comprend le mélange à sec d'une poudre métallique et de fibres cérami- ques, sous forme d'une dispersion pratiquement uniforme de fibres dans un mélange sec des fibres et du métal, la compression à froid de ce mélange des fibres et de la poudre métallique ainsi formé, à une première pression prédéterminée, le chauffage du mélange comprimé à une température qui suffit à la densification ultérieure du mélange, la compression à chaud du mélange afin qu'il subisse une densification supplémentaire, et le refroidissement de la matière composite ré- sultante. 2; Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont de dimension microscopique et ont un diamètre inférieur à 10 microns. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre métallique et les fibres céramiques sont mélangées, et la matière obtenue est ensuite extrudée au moins trois fois afin qu'elle donne une dispersion pratiquement uniforme des fibres dans le mélange de la poudre métallique et des fibres. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange de la poudre métallique et des fibres subit une compression à froid à une première pression prédéterminée, comprise entre 3,5.106 et 2,8.107 Pa, le mélange comprimé résultant étant alors chauffé afin que la pondre métallique soit à un état semi-fondu. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il copprend le mélange à sec d'une poudre métallique avec des fibres céramiques, sous forme d'un mélange sec des fibres et de la poudre métallique, puis le mélange de la matière obtenue avec au moins un volume égal de camphène distillé et fondu, puis l'évaporation du camphène du mélange résultant. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend le mélange à sec d'une poudre métallique et de fibres céramiques, sous forme d'un mélange sec, le mélange de la matière obtenue avec un camphène distillé et fondu, le re froidissement du mélange résultant, l'extrusion trois fois au moins du mélange refroidi, puis l'évaporation du camphène du mélange afin qu'il reste une dispersion pratiquement uniforme des fibres dans le mélange des fibres et de la poudre métallique. 7. Procedé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fibres céramiques sont sous forme de fibres ayant un diamètre inférieur à 10 microns, le mélange des fibres et de la poudre métallique étant comprimé à froid à une pression comprise entre 3,5.106 et 2,8.107 Pa, le mélange comprimé étant ensuite chauffé afin que la poudre métallique soit à un état semi-fondu permettant la compression à chaud. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres céramiques sont formees de graphite ou de carbure de silicium, et la poudre métallique est formée par de l'aluminium, la dimension particulaire étant inférieure à 74 microns, les fibres céramiques formant 10 à 30 % du volume total du mélange des fibres et de la poudre métallique. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres céramiques sont des fibres microscopiques ayant un diamètre inférieur à 10 microns, et la poudre métallique a une dimensicnparticulaire inférieure à 74 microns, les fibres céramiques formant 10 à 30 % du volume du mélange de la poudre et des fibres, ce mélange subissant une compression à froid par disposition du mélange dans une cavité de moulage, introduction d'un poinçon dans la cavité, contre le mélange, afin que celui-ci soit comprimé à froid à une première pression prédéterminée comprise entre 3,5.106 et 2,8.107 Pa, maintien du poinçon contre le mélange alors que celui-ci subit un chauffage à une température qui suffit à la mise de la poudre métallique à un état semi-fondu, puis compression à chaud du mélange chauffé, à l'aide du poinçon, afin que le mélange subisse une densification supplémentaire. 10. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que le mélange des fibres et de la poudre métallique, avec une dispersion pratiquement uniforme des fibres, est obtenu par mélange des fibres céramiques avec une poudre de magnésium, chauffage du mélange en atmosphère inerte afin que le magnésium s'évapore et forme un revêtement sur les fibres céramiques, mélange des fibres revêtues de magnésium avec une poudre métallique afin que celle-ci s'allie au magnésium, puis addition d'une poudre métallique supplémentaire afin que les fibres soient dispersees de façon pratiquement uniforme dans le mélange des fibres de la poudre métallique. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la poudre métallique est de la poudre d'aluminium, et les fibres céramiques forment 10 à 30 % du volume total du mélange des fibres et de la poudre d'aluminium.