Brevet FR2607741A1 — publié le 19880610

PBOCEDE D'OBTENTION DE MATERIAUX COMPOSITES, NOTAMMENT A MATRICE EN ALLIAGE D'AuJMINIcM, PAR METALLURGIE DES POUDRES L'invention est relative à un procédé d'obtention de matériaux composites, notamment à matrice en alliage d'aluminium, par métallurgie des poudres. On sait que certains traitements thermiques permettent t'améliorer les propriétés des alliages et en particulier leur résistance. Mais, face aux exigences des utilisateurs qui ont besoin de matériaux plus performants en terme de résistance, de module d'élasticité et de tenuc à chaud spécifiques, ces traitements s'avèrent insuffisants. C'est pourquoi l'homme de l'art est obligé de se tourner vers d'autres solutions qui consistent, entre autres, à utiliser des matériaux composites. Ces matériaux sont généralement composés d'une matrice en alliage métallique dans laquelle est dispersé un produit de renforcement constitué par un ou plusieurs oxyde(s), carbure(s), nitrure(s) métalliques contenant éventuellement de petites quantités de carbone ou de graphite par exemple. Ce produit de renforcement peut avoir la forme de fines particule ou de fibres plus ou moins longues suivant les caractéristlques recher- chies ct représente, en fraction volumique, environ 5 à 40 % du matériau De tels matériaux sont obtenus soit par les techniques de moulagc, notamment dans le cas de fibres longues que l'on imprègne avec la matrice à l'état fondu, soit par la métallurgie des poudres, méthode mieux adaptée aux fines particules et fibres courtes surtout quand leur fraction volumique est importante. Pour tirer le meilleur avantage de ces produits de renforcement, il faut que ceux-ci aicnt une taille relativement petite et soient régulièrement dispersés dans toute la masse de la matrice de manière à obtenir la plus grande homogénéité possible. Dans le cadre de la métallurgie des poudres, de nombreux procédés ont été mis en oeuvre visant à réaliser ces deux conditions. On peut citer, en particulier, le procédé enseigné dans la demande de brevet européen nO 67 584 et qui consiste à préparer une suspension de fibres courtes ou whiskers de carbure de silicium dans un solvant polaire, à la mélanger avec de la poudre d'aluminium puis, à la chauffer pour distiller le solvant et obtenir ainsi un mélange composite qui est ensuite transformé en billettes susceptibles d'être traitées par extrusion, forgeage ou usinage. Ce procédé est compliqué et cher en raison de la mise en oeuvre de solvants organiques sans parler des risques entraînés en matière d'hygiè- ne et de sécurité. De plus, T1 est limité à l'utilisation de produits de renforcement de dimensions relativement grandes car en dessous de 3 pm, on observe la formation d'agglomérats de renfort se comportant comme des inclusions et conduisant à des ruptures prématurées du matériau. Enfin, la répartition du renfort dans la matrice est peu homogène puisque celui-ci se présente sous forme de réseau autour des particules de la matrice.Ceci est illustré par la figure 1 ci-jointe sur laquelle on peut voir au grossissement 500 une micrographie d'un matériau composite à matrice d'alliage d'aluminium du type 7090, selon les normes de l'Aluminium Association, contenant 25 % en volume de particules de carbure de silicium en graius de granulométrie 3 pm. Sur cette figure apparait en noir I'alliage d'aluminium entouré plus ou moins grossièrement d'agglomérats de SiC. Ce procédé a donc pour défaut d'empêcher la réalisation simultanée d'une grande finesse du produit de renforcement et de sa dispersion régulière dans la matrice. Par ailleurs, si comme l'indique le tableau 1 de cette demande européenne, les valeurs de la résistance maximum et du module d'Young sont relativement bonnes dans le cas d'un matériau à matrice d'aluminium du type 6061 contenant une fraction volumique de 20 Z de whiskers en carbure de silicium, par contre, dès que cette fraction volumique dépasse la valeur indiquée, on constate une diminution de la ductilité et de la ténacité du matériau obtenu. En conséquence, ce procédé, bien qu'intéressant, ne peut avoir qu'une application limitée. Une autre voie d'obtention de ces matériaux composites a été préconisée, notamment par les auteurs de la demande de brevet européen nO 147 769. Elle consiste à mélanger de la poudre d'un ou de plusieurs alliages d'aluminium avec 0,5 à 20 2 en volume d'au moins une poudre de carbone ou de graphite, d'oxyde, de carbure, de nitrure, de l'allier mécaniquement et de soumettre la poudre obtenue à une opération de mise en forme telle que le compactage, le forgeage, la compression, le filage, etc... Avec ce procédé, on obtient des dispersions très fines de l'ordre de quelques centaines d'Angströms du produit renforçant dans la matrice. Cependant, au-delà d'une frac: ,n volumique des dispersoides de 20 on observe, en raison de la grande énergie mise en oeuvre pour allier mécaniquement les composants du mélange, un phénomène d'écrouissage des particules qui deviennent fragiles et dures et rendent intransformable le matériau composite obtenu. C'est dans le but d'éviter les inconvénients de l'un et l'autre procédé et notamment de permettre la fabrication de matériaux composites à forte proportion de produit de renforcement, ayant de bonnes caractéristiques mecaniques aussi bien à chaud qu'a' froid que la- demanderesse a mis au point le procédé selon l'invention. Ce procédé, qui concerne l'obtention de matériaux composites, notamment a' matrice en alliage d'aluminium, par métallurgie des poudres,consiste à ajouter à l'alliage en poudre un produit de renforcement pulvérulent appartenant au groupe constitué par les oxydes, carbures, nitrures et leurs mélanges sous forme de grains ou de fibres courtes en quantité telle que la fraction volumique de l'ajout soit comprise entre 5 et 40 %, puis à broyer l'ensemble des poudres. I1 est caractérisé en ce que l'on maintient le broyage pendant une durée suffisante pour obtenir sur la totalité de la masse de métal mise en oeuvre une répartition du produit de renforcement à l'intérieur de chaque grain d'alliage mais sans dépasser la durée au-delà de laquelle le rapport de réduction de la granulométrie du produit de renforcement est supérieur à 5. L'invention consiste donc en un broyage modéré au cours duquel les éléments de renfort sont progressivement incorporés à l'intérieur même de la matrice à la faveur d'un régime contrôlé de fractures et de soudures des particules de la matrice. Au cours de ce processus, la granulométrie initiale des produits de renforcement qui est comprise entre 1 et 20 pm est peu modifiée ou légèrement réduite en fonction des caractéristiques désirées pour la dispersion à obtenir. Dans le cas des fibres2 le rapport d'élancement n'est pas sensiblement modifié. On constate que dans ces conditions, la dispersion dans la matrice est suffisante pour obtenir l'homogénéité convenable tout en permettant d'atteindre la finesse désirée et ce sans provoquer ni la fragilisation, ni le durcissement du produit de renforcement. I1 en résulte pour les matériaux mis en forme un optimum des caractéristiques mécaniques même avec des fractions volumiques supérieures à 20 %. En particulier, on note une amélioration de l'allongement et de la ténacité par rapport aux valeurs mesurées sur les matériaux de l'art antérieur ainsi qu'une augmentation de la résistance, que ce soit à froid ou à chaud. Ces résultats sont dus au fait d'une plus grande homogénéité, laquelle en réduisant l'espacement entre les particules du produit de renforcement, exacerbe leurs effets. Cette homogénéité peut être constatée à l'aide de la figure 2 ci-jointe qui montre au grossissement 500 une micrographie d'un matériau composite obtenu selon l'invention. On y voit en noir les particules d'alliage d'aluminium du type 7060 finement pénétrées par les particules de SiC de granulométrie 1 pm et dont la proportion volumique est de 25 %. Le procédé de l'invention s'applique aux matériaux à matrice à base de fer, nickel, magnésium, titane, mais aussi à la plupart des alliages d'aluminium des séries 2000, 4000, 6000, 7000 selon le répertoire de l'Aluminium Association ainsi qu' aux alliages A1-X, obtenus par solidifi cation rapide, X étant un ou plusieurs des éléments suivants: Fe, Ni, Co, Mo, Zr, Cr, Mn, Ce, V. Ces alliages sont mis en oeuvre sous forme de poudre d'une granulométrie inférieure à 50 pm à l'état préallié ou contenant séparément chacun des éléments de l'alliage. Mais, bien qu'il soit utilisable pour des ajouts de 5 à 40 % en volume, le procédé est particulièrement intéressant dans la gamme des fractions comprises entre 15 et 30 Z. Les mélanges obtenus après broyage peuvent être consolidés par tout moyen connu dans la métallurgie des poudres et en particulier par compactage ou compression isostatique après dégazage ou non suivi soit d'un frittage, soit d'un forgeage, soit d'un filage à température convenable. Le broyage peut être obtenu dans des appareils du type - "attriteur" tel que celui employé dans la demande de brevet européen nO 147769 pour faire de l'alliage mécanique, mais utilisé ici de manière à obtenir seulement la répartition intragranulaire du renfort sans aller jusqu'à l'écrouissage. - broyeur rotatif à boulets - broyeur vibrant à boulets. En suivant par tout moyen d'examen de poudres l'évolution dans le temps de la répartition intragranulaire du renfort et sa granulométrie pour chaque type d'appareil, on peut déterminer le temps convenable à l'obten- tion du matériau composite répondant aux conditions de l'invention. A noter que ces appareils peuvent fonctionner sous atmosphère inerte ou en présence d'oxygène pour former l'oxyde in situ dans le cas où le produit de renforcement est constitué par ce dérivé métallique. L'invention peut hêtre illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant Un alliage d'aluminium du type 7090, selon les normes de l'Aluminium Association, c'est-à-dire contenant en poids % : Si 0,12; Fe 0,15; Cu 1,0; Mg 2,5; Zn 8,0; Co 1,4; autres 0,15; solde AI, a été mis sous forme d'une poudre passant au tamis 50 m. On y a ajouté 25 a en volume d'une poudre de carbure de silicium de granulométrie 3 pm. 1 kg du mélange a été broyé dans un attriteur tournant à 55 tours/minute pendant 12 heures de manière à obtenir la répartition intragranulaire du renfort. Le produit obtenu a été dégazé, comprimé à 4800C sous une pression de 100 NPa pour donner des billettes de dimensions 150 mm qui ont été filées à 3800C en lopins de dimensions 30 mm. Après traitement thermique, pour les amener à l'état T6, on a mesuré sur les lopins la charge à la rupture Rm, la limite élastique R 0,2, l'allongement A et la ténacité KlC d'une part à 200C, d'autre part après maintien pendant 100 heures à 350 C. Les mêmes mesures ont été effectuées sur le même matériau fabriqué suivant le procédé avec solvant. Les résultats obtenus dans l'un et l'autre cas figurent dans le tableau suivant T C Rm(MPa) RO,2(MPa) A% K1C (MPa#m) Art antérieur 20 780 720 0,8 non mesurable I I I I Invention 1 20 1 810 1 760 1 7 1 25 Art antérieur 350 38 37 17 non mesurée Invention 1 350 1 200 1 150 1 20 non mesurée On constate donc une augmentation notable de la résistance à chaud et à froid et de l'allongement à froid des matériaux composites selon l'invention par rapport à ceux de l'art antérieur. L'invention trouve donc son utilité dans toutes les applications où on souhaite des matériaux composites présentant une ductilité et une résistance à chaud améliorées. lEVINDICATIONS 1. Procédé d'obtention de matériaux composites, notamment à matrice en alliage d'aluminium, par métallurgie des poudres, dans lequel on ajoute à l'alliage en poudre un produit de renforcement pulvérulent appartenant au groupe constitué par les oxydes, carbures, nitrures et leurs mélanges sous forme de grains ou de fibres courtes, en quantité telle que la fraction volumique de l'ajout soit comprise entre 5 et 40 %, puis broye l'ensemble des poudres, caractérisé en ce que l'on maintient le broyage pendant une durée suffisante pour obtenir sur la totalité de la masse de métal mise en oeuvre une répartition du produit de renforcement à l'intérieur de chaque grain d'alliage mais sans dépasser la durée au-delà de laquelle le rapport de réduction de la granulométrie du produit de renforcement est supérieur à 5. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium appartient au groupe constitué par les alliages des séries 2000, 4000, 6000, 7000 selon le répertoire de l'Aluminium Association ainsi que les alliages A1-X où X est au moins un des éléments appartenant au groupe constitué par Fe, Ni, Co, Mo, Zr, Cr, Mn, Ce, V. 3. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la fraction volumique de l'ajout se situe entre 15 et 30 %. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le broyage est exécuté dans un appareil appartenant au groupe constitué par l'attriteur, le broyeur rotatif à boulets, le broyeur vibrant à boulets.