Brevet FR2616696A1 — publié le 19881223

- 1 - PROCEDE DE BRASAGE AU FOUR SOUS ATMOSPHERE RAREFIEE OU CONTROLEE DE DEUX PIECES. La présente invention a pour objet un procédé de brasage au four sous atmosphère raréfiée ou contrôlée de deux pièces présentant des coefficients de dilatation très différents et/ou destinées à subir de forts gradients thermiques. D'une manière générale, on sait que selon la technique clas- sique du brasage au four, les pièces à braser sont préala- blement assemblées, par exemple à l'aide d'éléments annexes, de manière à ce que leurs zones de contact o doit s'effec- tuer le brasage soient appliquées l'une contre l'autre dans leurs positions définitives, avec interposition du composé métallique d'apport (brasure) qui se présente habituelle- ment sous la forme d'une fine plaquette, fil ou pâte à braser suivant la conception des pièces à braser. Cet ensemble est ensuite introduit dans un four de traite- ment thermique apte à assurer un cycle thermique approprié, au cours duquel les deux pièces sont portées à une tempéra- ture élevée engendrant la fusion du composé métallique d'apport qui, à l'état liquide, peut alors diffuser d'une certaine profondeur dans la matière constitutive des deux pièces, au niveau des zones de contact. En fin de cycle, les pièces sont soumises à une phase de refroidissement entrai- nant la solidification du composé métallique d'apport et le retour de l'ensemble à la température ambiante. 261669-6 - 2 - Pour tenir compte de la nature des pièces à braser et du composé métallique d'apport utilisé, ce cycle thermique peut s'effectuer sous atmosphère contrôlée ou même sous vide, notamment en vue d'éviter des réactions chimiques inopportu- nes et, en particulier, des phénomènes d'oxydation qui pourraient compromettre la qualité du brasage, cette solu- tion présentant en outre l'avantage d'éviter l'utilisation d'un flux. Cette technique convient bien lorsque les deux pièces à braser présentent des coefficients de dilatation similai- res. Par contre, dans le cas o ces pièces présentent des coefficients de dilatation très différents, il se produit au niveau de la zone de jonction des deux pièces o est réalisé le brasage, des phénomènes de dilatation différentielle pouvant conduire, notamment lors de la phase de refroidisse- ment, à des décollements de la brasure, ainsi qu'à des dété- riorations, voire même des ruptures de l'une et/ou l'autre de ces deux pièces. Bien entendu, ces inconvénients se manifestent également dans le cas o ces deux pièces, une fois brasées, sont soumises à de fortes élévations de température. De même, ces phénomènes de dilatation différentielle peuvent intervenir dans le cas o les deux pièces présentent des coefficients de dilatation similaires et sont soumises après brasage à des températures différentes. Tel est notamment le cas de certains éléments utilisés dans des échangeurs thermiques qui sont formés de deux pièces assemblées par brasure, dont l'une est portée à une tempéra- ture élevée et l'autre est constamment refroidie. L'invention a donc plus particulièrement pour but de suppri- mer ces inconvénients, en particulier dans le cas du brasage entre une pièce en un matériau à bas coefficient de dilata- tion tel que du graphite, une céramique ou même un métal - 3 - revêtu d'une céramique, et une pièce à haut coefficient de dilatation, en un matériau métallique ou non, pouvant se braser ou recevoir un revêtement permettant le brasage, et résistant à la température à laquelle doit s'effectuer le brasage, par exemple une température de l'ordre de 800 C ou plus. Selon l'invention, ce procédé consiste à intercaler, entre les zones de jonction o doit s'effectuer la brasure, une fine plaquette ou clinquant en un métal réfractaire tel que du molybdène, du tantale, du hafnium, du zirconium, du niobium, du tungstène ou en un alliage incluant l'un au moins de ces éléments. Dans ce cas, le composé métalllique d'apport (brasure) est disposé entre la plaquette ou le clinquant de métal réfrac- taire et les zones de jonction des deux pièces o doit s'effectuer le brasage. Il s'avère que la susdite plaquette ou clinquant de métal réfractaire permet d'assurer une accomodation des contrain- tes thermiques entre ces deux pièces. Par ailleurs, du fait qu'elle présente un coefficient de dilatation intermédiaire relativement à celui des deux pièces, elle constitue donc une zone de transition qui réduit les effets des dilatations différentielles entre les deux pièces. En outre, elle constitue une barrière permettant d'éviter la formation d'eutectiques entre les matériaux constitutifs des deux pièces en cas d'élévation de température. Avantageusement, le procédé selon l'invention pourra comprendre un traitement de surface préalable sur la zone de jonction de la pièce présentant le coefficient de dilatation le plus élevé. Ainsi, la zone de jonction de la pièce présentant le coeffi- cient de dilatation le plus élevé pourra être préalablement - 4 recouverte d'une couche de cuivre, par exemple par dépôt physique de vapeur métallique (PVD) ou par voie électrolyti- que. Ce traitement de surface a pour but, d'une part, d'augmenter la mouillabilité de la brasure à la surface des pièces à braser et, d'autre part, de protéger les surfaces à braser contre d'éventuelles oxydations qui pourraient intervenir lors du cycle de brasage. Dans le cas d'applications spécifiques, un revêtement tel que l'or, le platine, le palladium, l'argent, le lithium, le germanium (ou des alliages comprenant ces composants) sera utilisé. Une ou plusieurs plaquettes ou clinquants de différents matériaux, par exemple en cuivre ou en titane, sera disposée en intercalaire entre la pièce ayant subie le traitement de surface préalable et la ou les plaquettes ou clinquants en matériau réfractaire. En raison de sa maléabilité, ce ou ces plaquettes ou clin- quants (cuivre ou titane par exemple) servira à jouer le rôle d'un amortisseur, contribuant à atténuer les effets des contraintes résultant des dilatations différentielles. Bien entendu, l'invention concerne également les pièces obtenues par brasage d'au moins deux éléments, conformément au procédé selon l'invention. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une coupe schématique montrant l'agen- cement des différents éléments utilisés en vue du brasage de deux pièces selon un premier mode d'exécu- tion de l'invention; -5- La figure 2 est une coupe schématique illustrant une variante de l'agencement représenté figure 1; La figure 3 est un diagramme représentatif de la température d'un four en fonction du temps, au cours d'un cycle de brasage. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, les deux pièces à assembler consistent en une première pièce en graphite 1, qui présente un très faible coefficient de dilatation et est destinée à être exposée à des élévations de température, par exemple sous l'effet de rayonnements à haut pouvoir énergé- tique, et une deuxième pièce métallique 2, en acier inoxyda- ble, munie d'un canal 3 permettant le passage d'un fluide de refroidissement. Cette deuxième pièce 2 qui, en principe, est constamment refroidie, n'est pas prévue pour subir des élévations de température importantes. L'assemblage de ces deux pièces par brasage pose alors un double problème, en effet: Au cours du brasage, les deux pièces 1, 2 doivent être nécessairement échauffées à une température relativement élevée (de l'ordre de 830 C) qui correspond à la température de fusion du composé métallique d'apport qui peut, par exem- ple, consister en une brasure de type "bas argent" contenant du cuivre et du titane. En conséquence, au cours de cet échauffement, la pièce en acier inoxydable 2 qui présente un coefficient de dilatation relativement élevé, va se dilater, tandis que la pièce en graphite 1 ne subira pas de modifica- tion dimensionnelle. Ensuite, au cours de la phase de refroidissement, o la brasure retourne à l'état solide, la pièce en acier inoxydable 2 va se rétracter en exerçant sur la pièce en graphite 1 des contraintes mécaniques importan- tes (cisaillement/traction), par l'intermédiaire de la brasure solidifiée. Ces contraintes pourront alors attein- - 6 9- dre des niveaux suffisamment élevés pour entraîner la ruptu- re de la pièce en graphite 1 et/ou un décollement partiel ou total des deux pièces 1, 2. Le deuxième problème inhérent à ce type d'assemblage résulte du fait que, lors de l'utilisation de l'ensemble une fois brasé, malgré le fait qu'elle se trouve constamment refroi- die, la pièce en acier inoxydable 2 subira un échauffement au moins au niveau de sa zone de jonction avec la pièce de graphite 1, précisément au niveau o est réalisée la brasu- re. Cet échauffement qui engendrera des phénomènes de dila- tation de la pièce en acier inxodyable 2 au moins au niveau des susdites zones, conduira donc aux mêmes inconvénients que ceux précédemment évoqués. A ces deux problèmes se rajoutent également ceux résultant du fait qu'au niveau des zones de jonction, il risque de se former des mélanges eutectiques notamment entre le fer présent dans l'acier inoxydable et le graphite, ainsi que des oxydations, notamment du chrome présent dans l'acier inoxydable. Il est clair que la formation de ces mélanges eutectiques et de ces oxydes peut altérer considérablement la qualité du brasage. Comme précédemment mentionné, le procédé selon l'invention permet de supprimer tous ces inconvénients. Il consiste à interposer entre les deux pièces 1, 2 à braser, une plaquette ou clinquant 6 en métal réfractaire, ici une plaquette de molybdène 6 et une plaquette ou clin- quant en métal, ici une plaquette de cuivre 7, qui servi- ront, d'une part, à accomoder les contraintes exercées entre les deux pièces, notamment lors du brasage, et qui permet- tront ensuite de diminuer l'échauffement de la zone de jonction de la pièce en acier inoxydable (figure 1). Bien entendu, entre la plaquette 6 et la pièce en graphique 1 ainsi qu'entre la plaquette en molybdène 6 et la plaquette -7- en cuivre 7 et de même entre cette dernière 7 et la pièce en acier inoxydable 2 revêtue d'une couche en cuivre 9, sont disposées des plaquettes de brasure respectivement 4, 5, 8 (figure 1). Par ailleurs, les zones de jonction des deux pièces 1, 2 pourront subir des traitements de surface appropriés. Ainsi, la pièce en acier inoxydable 2 pourra notamment subir un cuivrage 9 électrolytique ou obtenu par dép8t PVD, qui en plus de son aptitude au brasage (amélioration de la mouilla- bilité de la brasure), constituera une barrière "chimique" permettant d'éviter l'oxydation de l'acier inoxydable (oxyde de chrome en particulier). Avantageusement, le brasage des deux pièces 1, 2 sera effec- tué sous pression de manière à améliorer la diffusion de la brasure vers le graphite qui présente une certaine porosité. Cette pression peut être exercée par exemple à l'aide d'une presse 10 à vis 11 du type de celle qui est représentée sur la figure 1. Le couple de serrage sera calculé en fonction de la nature et du taux de porosité des matériaux employés. L'ensemble formé par les pièces 1, 2 préassemblées et maintenues sous pression, avec interposition des plaquettes de molybdène 6 et de cuivre 7 et des trois clinquants de métal d'apport ou brasure 4, 5 et 8 (comme représenté figure 1) est introduit dans un four de traitement thermique sous vide, pour subir le cycle thermique produisant le brasage. Comme on peut le voir sur la figure 3, ce cycle comprend tout d'abord une phase de montée en température 12, incluant de préférence un palier d'homogénéisation 13 à environ 400 C. Cette phase de montée en température se poursuit jusqu'à ce que l'on obtienne une température d'environ 830 C qui correspond à la température de fusion de la brasure. A partir de cette température, la température est maintenue 261669E -- 8 -- constante pendant une durée déterminée Tp en fonction de la profondeur de diffusion de la brasure vers le graphite que l'on désire atteindre (d'une façon plus générale, cette durée dépend de la porosité et de la massivité des pièces à braser). Ainsi, dans l'exemple illustré sur la figure 1, cette durée pourra être de l'ordre de 1 h dans le cas o la pièce de graphite 1 présente une forme parallélépipédique, dont la longueur et la largeur sont de l'ordre de 100 mm, et qui présente une épaisseur de l'ordre de 300 mm. La dernière phase du cycle est une phase de refroidissement 14 qui peut être plus ou moins rapide selon l'application considérée. L'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédem- ment décrit. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, la pièce en graphi- te 1 peut être revêtue d'une couche de céramique 15, par exemple en nitrure de titane TiN, en alumine A1203 ou en zircone ZrO2. La plaquette de molybdène 6 pourrait être remplacée par une plaquette en un métal ou en un alliage métallique réfractai- re incluant ou consistant en du tantale, du hafnium, du zirconium, du niobium ou du tungstène. De même, la plaquette 7 en cuivre pourra être remplacée par une plaquette en alliage cuivreux, en bronze, voire même en titane. Comme précédemment mentionné, la pièce 2 pourra être réali- sée en un matériau métallique ou non, éventuellement revêtu d'une couche 9 apte à recevoir la brasure, par exemple une couche de céramique, de métal ou d'alliage obtenue par toute -9- technique de revêtement (dépôt physique en phase vapeur, dépôt électrolytique, dépôt chimique en phase vapeur, torche plasma,...). Pour des applications courantes, ce revêtement 9 pourra consister en du cuivre ou du nickel déposé électrolytique- ment ou par dépôt de vapeur métallique (PVD). Pour des applications plus spécifiques, ce revêtement pourra consis- ter en de l'argent, de l'or, du germanium, du lithium, du palladium, du platine ou en un alliage incluant l'un au moins de ces éléments. Par ailleurs, dans certaines applications, il sera possible de n'intercaler entre les deux pièces 1 et 2 à braser que la plaquette ou clinquant en métal réfractaire 6 avec interpo- sition entre cette plaquette 6 et les pièces 1 et 2 de deux plaquettes de brasure. - 10 - Revendications 1. Procédé de brasage au four, sous atmosphère raréfiée ou contrôlée de deux pièces (1, 2) présentant des coefficients de dilatation différents et/ou destinées à subir de forts gradients thermiques, caractérisé en ce qu'il consiste à intercaler, entre les zones de jonction de ces deux pièces o doit s'effectuer la brasure, au moins une fine plaquette en métal réfractaire (6) tel que du molybdène, du tantale, du hafnium, du zirco- nium, du niobium, du tunsgtène, ou en un alliage incluant l'un au moins de ces éléments, le composé métallique d'apport étant alors disposé entre ladite plaquette et lesdites zones de jonction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à intercaler, entre les deux pièces (1) et (2) o doit s'effectuer la brasure, d'une part, une plaquette ou clinquant en métal réfractaire (6) tel que du molybdène, du tantale, du hafnium, du zirconium, du niobium, du tungstène, ou un alliage incluant l'un au moins de ces éléments et, d'autre part, une plaquette ou clinquant (7) en cuivre, alliage cuivreux, titane, alliage titane, nickel ou alliage nickel, le composé métallique d'apport (4, 5) et (8) étant alors disposé entre lesdites plaquettes (6) et (7) et lesdites pièces (1) et (2). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pièces (1, 2) sont pressées l'une contre l'autre, au cours du brasage, la pression et le couple de serrage étant calculés en fonction des matériaux employés. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce (1) présentant le plus bas coefficient de dilatation et/ou destinée à être portée à la plus haute température est réalisée en graphite, céramique - 11 - ou tous matériaux à bas coefficient de dilatation, éventuel- lement recouvert au moins d'un revêtement (15) permettant la brasure. 5. Procédé selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que la pièce (2) présentant le plus grand coefficient de dilatation et/ou destinée à être portée à la plus basse température est réalisée en un matériau métalli- que ou un matériau non métallique éventuellement recouvert, au moins sur la surface à braser de la pièce (1), d'un revêtement (9). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le susdit revêtement (9) consiste en du cuivre ou du nickel déposé électrolytiquement ou par dépôt de vapeur métallique (PVD) dans le cas d'applications courantes, pour des applications plus spécifiques, ce revê- tement pouvant consister en de l'argent ou de l'or, du germanium, du lithium, du palladium ou du platine ou un alliage incluant l'un au moins de ces éléments. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaquette ou clinquant (7), en cuivre, en alliage cuivreux, en titane, en alliage de tita- ne, en nickel ou en alliage de nickel, est disposé entre la plaquette en métal réfractaire (6) et la pièce (2) qui présente le plus grand coefficient de dilatation.