Brevet FR2494260A1 — publié le 19820521

L'invention concerne un procédé de préparation de composites à matrice métallique, renforcés par des fibres de céramique ou de verre ou d'autres fibres qui ont été convenablement revêtues, ces fibres étant prétraitées dans une solution métallo-organique (résinate) de métal précieux, puis chauffées à l'air afin qu'il se forme un revêtement de métal précieux sur les fibres. Les fibres revêtues sont ensuite immergées dans un bain fondu du métal souhaité pour la matrice ou masse de fond, placées dans un moule convenable, puis le métal fondu de la matrice est coulé sur les fibres, ou bien ces dernières sont placées entre des feuilles pleines de métal de matrice et une consolidation est réalisée par liaison par diffusion. Des matériaux composites à matrice métallique, comprenant généralement des fibres non métalliques à haute résistance et module élevé, dans une matrice ou masse de fond métallique, peuvent convenir à un grand nombre d'applications industrielles et militaires très diverses, car elles combinent les propriétés physiques d'un métal (par exemple la conductivité électrique et la conductivité thermique, la résistance à la corrosion et à l'usure) aux propriétés mécaniques des fibres. Pour obtenir les propriétés mécaniques optimales dans le composite, une bonne liaison doit être assurée entre la fibre et la matrice. Cependant, la formation de la liaison ne doit pas attaquer notablement la fibre, car il pourrait en résulter autrement une diminution sensible de la résistance de la fibre et, par conséquent, de la résistance du composite. Dans la préparation d'un composite à matrice métallique, les fibres et le métal sont joints ensemble par liaison par diffusion à l'état solide, ou bien par infiltration de métal fondu dans un groupe de fibres. Généralement, des procédés par voie solide sont utilisés pour des fibres de grand diamètre, environ 100 micromètres) ou pour des fibres hachées, alors qu'une infiltration de liquide est utilisée pour des fibres de faible diamètre (5 à 25 micromètres) qui sont habituellement présentes dans des fils multifilaments. Des procédés utilisant du métal liquide exigent qu'un mouillage se produise entre la fibre et la matrice. Souvent, ce mouillage ne se produit pas spontanément, de sorte qu'un revêtement mouillable est d'abord appliqué sur les fibres.Des exemples de revêtement et de procédés d'application de revêtement utilisés dans le passé comprennent des revêtements au borure de titane appliqués par déposition de vapeur chimique (brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 860 443), des revêtements de nickel appliqués par électrodéposition brevet des Etats-Unis d'Amérique N"3 622 283) et des revêtements de sodium appliqués par immersion des fibres dans du sodium fondu (brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 859 114).Bien que ces trois procédés d'application de revêtement soient capables de promouvoir une infiltration de métaux fondus dans des faisceaux de fibres, les deux premiers procédés exigent la mise en oeuvre d'un équipement sophistiqué et un contrôle étroit des paramètres de traitement, tandis que le troisième procédé pose d'importants problèmes de sécurité lors de la manutention du sodium fondu. Dans les procédés de liaison à l'état solide, la liaison entre la fibre et le métal dépend d'une réaction entre les deux matières. Si cette réaction n'est pas contrôlée étroitement, il peut en résulter une perte de résistance de la fibre. Il est donc parfois avantageux d'enduire les fibres d'une substance intermédiaire qui se lie à la fois aux fibres et à la matrice sans réagir excessivement avec elles au cours du processus de liaison. L'invention a donc pour objet la préparation de matériaux composites à matrice métallique, consistant d'abord à revêtir d'un métal noble des fibres de verre ou de céramique ou d'autres fibres telles que des fibres de graphite convénablement protégées par un revêtement métallique ou céramique adhérent convenable. Ce revêtement de métal noble est réalisé par immersion des fibres dans une solution métallo-organique liquide contenant un composé de métal noble comme ingrédient principal. L'invention a également pour objet la production d'un matériau composite à matrice métallique, utilisant lesdites fibres revêtues de métal noble, par immersion de ces fibres dans un bain de la matière de matrice souhaitée en fusion, par mise en place des fibres dans un moule convenable et par coulée du métal fondu de matrice autour des fibres, ou bien par mise en place des fibres entre des feuilles pleines du métal de matrice et par réalisation de la consolidation au moyen d'une liaison par diffusion.En recouvrant les fibres de céramique ou de verre, ou les fibres de graphite revêtues d'une couche de céramique ou de métal, d'un composé métallo-organique contenant un métal noble, puis en effectuant une cuisson (chauffage dans l'air), on obtient un revêtement de métal noble adhérent et continu, qui réalise une excellente liaison avec la matrice du matériau composite, introduite par la suite. Bien que l'argent constitue un métal noble préféré, il est également possible d'utiliser des pellicules d'or, de palladium ou de platine. Toutes ces pellicules sont continues et adhèrent à la fibre de verre ou de céramique. Il est apparu que des fibres de graphite ne conviennent pas, à moins qu'elles soient d'abord revêtues d'une matière céramique adhérente ou d'un métal approprié. Parmi les matières métalliques de revêtement des fibres de graphite, le nickel, l'aluminium, le titane, le magnésium et l'acier inoxydable se sont avérés utiles. Une matière métallo-organique contenant un métal noble et s'étant avérée très utile dans le procédé de l'invention est celle décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N" 2 984 575. Les fibres de céramique et de verre utilisées dans la présente invention peuvent comprendre l'une quelconque des fibres de verre commercialisées, par exemple du verre "E", du verre "5-2" ou du verre de quartz ; l'une quelconque des fibres d'oxyde polycristallin tel que de l'alumine pure ou un mélange alumine-oxyde de bore-silice ou l'une quelconque de toute autre fibre composée non métallique telle que du carbure de silicium, qu'elle soit présente sous la forme d'une matière homogène ou sous la forme d'un revêtement appliqué sur une fibre d'une matière différente. Les fibres peuvent être utilisées sous la forme de monofilaments, de fils multifilaments ou d'une étoffe tissée. Les métaux de matrice ou de masse de fond, utilisés dans la présente invention, peuvent comprendre,à titre nullement limitatif, l'un quelconque des éléments suivants : l'aluminium et ses alliages, le plomb et ses alliages ou l'étain et ses alliages. Des procédés pour introduire les fibres dans la matrice de métal comprennent l'immersion des fibres dans un bain de métal de matrice fondu, les fibres revêtues de métal étant ensuite retirées du bain afin que le métal fixé sur ces fibres puisse se solidifier à l'air ; la mise en place des fibres dans un moule en coquille de conception convenable et la coulée dans le moule du métal de matrice fondu, de préférence à l'aide d'une dépression aidant au remplissage des interstices entre les fibres ; et le pressage à chaud des fibres entre des feuilles pleines constituées du métal de matrice, ce procédé convenant le mieux à des monofilaments de diamètre relativement grand (environ 100 micromètres). Dans tous les cas, les fibres sont d'abord prétraitées par immersion dans une solution métallo-organique (résinate) de métal précieux (dans la forme préférée de réalisation, de l'argent) contenant des ingrédients convenables de liaison et de décapage ; un exemple d'une telle solution est commercialisé sous la marque "Organic Silves! Ink Number A-2282", par la firme Engelhard Industries, East Newark, New Jersey, E.U.A. La solution peut également être appliquée sur les fibres par brossage ou pulvérisation. Les fibres peuvent être traitées individuellement ou en faisceau d'une dimension souhaitée pour la pièce composite métallique. Après traitement dans la solution métalloorganique, les fibres sont chauffées à l'air conformément aux instructions du fabricant de la solution, afin que les constituants organiques de la solution se volatilisent et qu'une pellicule de métal précieux se dépose sur la surface des fibres. Les fibres ainsi traitées sont ensuite incorporées dans une matrice ou masse de fond métallique, comme décrit précédemment. Les exemples suivants de compositions de fibres et de matrice illustrent, à titre non limitatif, l'application de l'invention à diverses matières. EXEMPLE 1 Un faisceau de fibres de verre "S-2" est immergé dans une solution métallo-organique d'argent, commercialisée sous le nom "Organic Silver Ink NO A-2282" (Engelhard Industries). Le temps d'immersion est d'environ 2 secondes après lesquelles le faisceau de fibres est retiré de la solution, à une vitesse modérée. Les fibres sont ensuite placées dans un four de séchage à l'air, à 125"C, pendant 10 minutes. Ensuite, les fibres sont cuites par chauffage à l'air, la température étant élevée à 6000C à raison d'environ 50 C/min, puis étant maintenue à 6000C pendant 10 minutes. Les fibres sont ensuite refroidies par air. Les fibres traitées, revêtues chacune d'une couche uniforme d'argent, sont ensuite immergées pendant 10 secondes dans un bain de plomb fondu à 4500C, dans l'air.Après que les fibres ont été retirées du bain de plomb et qu'elles ont été refroidies à l'air, un examen montre que le plomb a revêtu le faisceau de fibres et a pénétré dans ce dernier, formant un barreau composite de plomb armé de fibres de verre. EXEMPLE 2 Un ruban de fibres de verre (verre "S-2") tissées de 15 cm de longueur et de 2,5 cm de largeur, est immergé dans la solution métallo-organique d'argent indiquée dans l'exemple 1, séché à l'air, puis chauffé à l'air à 600"C pendant 10 minutes, comme dans l'exemple 1. Le ruban revêtu d'argent est immergé, à l'air, pendant 10 secondes dans un bain de plomb fondu à 4500C. Le ruban est retiré du bain de plomb et refroidi à l'air. Le plomb a revêtu le tissu formé par les fibres de la bande et s'est infiltré dans ce tissu, de sorte que l'on obtient un composite de plomb renforcé de fibres de verre, dans deux directions. L'article résultant est beaucoup plus rigide et résistant qu'une pièce de mêmes dimensions en plomb non renforcé. EXEMPLE 3 Un faisceau de fibres d'oxyde de céramique, commercialisées par la firme 3M Company sous la marque "Nextel 312",est traité par le même procédé que celui décrit dans l'exemple 1. Un examen du produit final montre que le plomb à revêtu le faisceau de fibres et s'est infiltré dans ce faisceau, formant un composite de plomb renforcé de fibres d'oxyde céramique. EXEMPLE 4 Un faisceau de fibres de verre de quartz est traité par le même procédé que celui décrit dans l'exemple 1. Un examen du produit final montre que le plomb a revêtu les fibres de verre de quartz et s'est infiltré entre ces fibres et le produit obtenu est un composite de plomb renforcé de fibres de verre de quartz. EXEMPLE 5 4 Un faisceau de fibres d'oxyde céramique ("Nextel 312"), comme dans l'exemple 3 est traité par le même procédé que celui décrit dans l'exemple 1, hormis que le bain de métal fondu, au lieu d'être du plomb, est un alliage d'étain et de régule comprenant environ 90 % d'étain, le reste étant du cuivre et de l'antimoine. La température de ce bain est de 4000C. Une immersion du faisceau de fibres traitées dans ce bain, à l'air, pendant 10 secondes donne un revêtement métallique et une infiltration dans le faisceau de fibres. EXEMPLE 6 Un faisceau de filaments continus de carbure de silicium, ayant chacun environ 13 micromètres de diamètre et produits par la firme Nippon Carbon Company (Japon) sous la marque commerciale "Nicalon", est immergé dans la solution métallo-organique d'argent de l'exemple 1, séché et chauffé à l'air à 600"C pendant 10 minutes, comme dans l'exemple 1. Les fibres ainsi revêtues d'argent sont placées dans une cavité rectangulaire de 3,2 x 3,2 x 203 mm de longueur , ménagée dans un moule en plâtre ; les fibres occupent alors environ 10 % du volume de cette cavité. Le plâtre renferme un entonnoir de coulée, un chenal d1alimen- tation en métal fondu et une attaque permettant au métal fondu de pénétrer dans la cavité contenant les fibres. Un alliage à base d'aluminium (alliage 201) est chauffé à 8500C et versé dans l'entonnoir du moule en plâtre ; une dépression est utilisée pour aider au remplissage de la cavité du moule. Après solidification du métal dans le moule, la barre de 3,2 x 3,2 x 203 mm est retirée et examinée. Il apparaît que l'alliage d'aluminium recouvre le faisceau de fibres, pénètre dans ce faisceau et remplit la cavité. EXEMPLE 7 Des fibres de verre "S-2" sont traitées et placées dans un moule, et du plomb fondu pur est introduit pour produire un barreau rectangulaire armé de fibres, comme dans l'exemple 6. Après solidification du métal à l'intérieur du moule et enlèvement du barreau, un gramen montre que le plomb a revêtu le faisceau de fibres, pénétré dans ce faisceau et rempli la cavité. EXEMPLE 8 Un faisceau de fibres de graphite à base de brai (du type "VSB-32" de la firme Union Carbide) est traité dans la solution métallo-organique de l'exemple 1 et séché à l'air comme dans l'exemple 1. Cependant, au cours de la cuisson à température plus élevée (600"C), on observe une luminescence des fibres chauffées au rouge et, après enlèvement du four, la plupart des fibres ont disparu, vraisemblablement par oxydation donnant un produit gazeux de réaction. On a essayé de conserver les fibres en les chauffant dans une atmosphère d'argon humide plutôt que dans l'air. Les fibres ainsi traitées ne se désintègrent pas comme c'est le cas dans l'air. Cependant, le revêtement d'argent n'adhère pas aux fibres et le plomb ne s'infiltre pas dans le faisceau de fibres traitées lorsque ce dernier est immergé dans un bain de plomb. EXEMPLE 9 Un faisceau de fibres de graphite à base de brai (du type "VSB-32" de la firme Union Carbide), identiques aux fibres de l'exemple 8, est revêtu de nickel par électrodéposition. Les fibres revêtues de nickel sont ensuite traitées dans la solution métallo-organique de l'exemple 1 et séchées à l'air comme dans l'exemple 1. Ensuit, les fibres revêtues de nickel sont chauffées dans l'air à une température de 6000C à laquelle elles sont élevées à raison d'environ 500C par minute, et elles sont maintenues à 6000C pendant 10 minutes, puis refroidies dans l'air. Le revêtement de nickel des fibres empêche ces dernières de se désintégrer lorsqu'elles sont exposées à cette température élevée. Ensuite, les fibres traitées, à présent revêtues de nickel et d'argent, sont immergées dans un bain de plomb fondu à 4000C, dans l'air, pendant 10 secondes. Après que les fibres ont été retirées du bain de plomb et qu'elles se sont refroidies, un examen montre que le plomb a revêtu le faisceau de fibres et pénétré dans ce faisceau pour former un composite de plomb renforcé de fibres de graphite. Les matériaux composites formés par ce procédé sont plus rigides et plus résistants que le métal d'infiltration non renforcé. Les résistances axiales des fibres contenues dans le composite dépendent du type de fibres, mais elles varient généralement d'environ 700 MPa pour le verre du type "S-2" à 1750 MPa pour le carbure de silicium. La résistance du matériau composite est une fonction du type et de la quantité de fibres présentes. Il va de soi que de nombreuses modificaticns peuvent être apportées au procédé décrit sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une fibre choisie dans le groupe comprenant du verre, de la céramique, du métal et toute fibre revêtue d'une matière choisie dans le groupe comprenant du verre, de la céramique et du métal, caractérisé en ce qu'il consiste à revêtir la fibre d'un composé liquide du type métallo-organique contenant un métal noble et à chauffer ladite fibre, portant le revêtement métallo-organique, à une température à laquelle le métal noble se dépose sur la fibre, ladite fibre choisie étant constituée d'une matière qui conserve son intégrité de structure à ladite température à laquelle le métal noble est déposé sur la fibre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal noble est de l'argent. 3. Procédé de production d'un matériau composite à partir d'une fibre choisie dans le groupe comprenant du verre, de la céramique, du métal et toute fibre revêtue d'une matière choisie dans le groupe comprenant du verre, de la céramique et du métal, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à revêtir ladite fibre d'un composé liquide métallo-organique contenant un métal noble, à chauffer ladite fibre, portant le revêtement métallo-organique,à une température à laquelle ledit métal noble se dépose sur cette fibre, et à lier la fibre revêtue de métal noble, ainsi Obtenue, d une matrice d'un métal différent, la fibre choisie étant constituée d'une matière qui conserve l'intégrité de sa structure à ladite température à laquelle le métal noble est déposé sur cette fibre. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fibre revêtue de métal noble est plongée dans un métal fondu différent. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un métal liquide différent est coulé autour de la fibre revêtue de métal noble. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fibre revêtue de métal noble est liée par diffusion à un métal différent formant une matrice.