Brevet FR2641995A1 — publié le 19900727

"MATERIAU DE CONSTRUCTION LEGER METALLIQUE FRITTE ET PROCEDE POUR SA FABRICATION" L'invention a pour objet un matériau de construction léger métallique fritté et un procédé pour la fabrication de ce matériau. Un tel matériau et un tel procédé sont connus d'après le document de brevet DE-32 10 770 C2. Un inconvénient du matériau connu réside dans la répartition sans ordre des billes creuses dans le corps fritté. Une telle répartition n'exclut pas l'existence de zones agglomérées localisées, d'une part de matériau fritté et, d'autre part, de billes creuses. Elle conduit donc à des valeurs de résistance différentes et limitées dans certaines zones. En outre, suivant le document imprimé indiqué plus haut, on utilise un matériau apparenté, qui tend à former des cristaux mixtes, pour remplir les cavités existant entre les billes métalliques. L'invention a pour but de créer un matériau du type suivant le préambule ayant des valeurs de résistance par unité de poids sensiblement plus élevées que le matériau classique et présentant des propriétés de résistance uniformes pour l'ensemble de la structure du matériau. L'invention s'étend à un procédé pour la fabrication de ce matériau. A cet effet, l'invention concerne un matériau du type ci-dessus caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué d'une structure en réseau avec des jonctions en composés intermétalliques qui forment des cavités sphériques uniformément réparties et qui sont disposées, pour leur part, comme un empilage de billes de compacité maximale. Le matériau de construction léger suivant l'invention ne présente avantageusement pas de valeurs de résistance différentes et- limitées dans certaines zones, ni de zones faibles. Il se distingue au contraire par une grande uniformité des propriétés de résistance. En outre, il possède les valeurs de résistance élevées des composés intermétalliques et un poids des éléments de construction extrêmement faible, de sorte qu'on obtient avantageusement une résistance par unité de poids plus élevée qu'avec les superalliages classiques à base de nickel ou de cobalt. Un autre avantage réside dans la résistance élevée de ce matériau de construction léger vis-à-vis des déformations par fluage. Enfin, le matériau de construction léger fritté, essentiellement constitué de composés intermétalliques, présente avantageusement une grande stabilité de structure aux températures élevées qui peuvent aller parfois jusqu'au point de fusion. Un domaine préférentiel pour le diamètre des cavités s'étend de 0,5 à 5 mm. Avec de telles cavités à disposition symétrique, on peut avantageusement réduire le poids spécifique, de sorte qu'on peut accroître la résistance par unité de poids. Cela est d'autant plus vrai que les jonctions en composés intermétalliques peuvent être disposées de manière que les directions de fortes sollicitations mécaniques soient renforcées. Suivant une réalisation préférentielle de l'invention, les jonctions atteignent par l'opération de frittage au moins 95 % de la compacité théorique de la phase intermétallique. Cela a pour avantage que le matériau de construction léger présente à peu près les mêmes valeurs de résistance qu'un élément de construction massif en superalliages classiques. L'invention a en outre pour but de créer un procédé permettant de fabriquer le matériau de construction léger métallique fritté de façon simple et économique. A cet effet, l'invention concerne un procédé de ce type caractérisé par les étapes suivantes dans lesquelles: a) on empile des billes métalliques creuses suivant un paquet de compacité maximale, b) on effectue un frittage préalable des billes métalliques pour obtenir un matériau préfritté, c) on remplit les cavités du matériau préfritté avec des métaux en poudre, des alliages métalliques ou des composés intermétalliques, le type et les quantités de ces produits étant déterminés en fonction du matériau des billes métalliques creuses pour que, lors du frittage qui suit, il se forme des composés intermétalliques en tant que jonctions entre des cavités sphériques, d) on fritte le matériau préfritté et la poudre de remplissage à la température de formation de composés intermétalliques, pour obtenir un matériau de construction léger métallique fritté. Ce procédé a pour avantage que, par l'empilage des billes creuses métalliques en un paquet de billes de compacité maximale, on obtient une répartition parfaitement uniforme des cavités sphériques dans la section du matériau de construction léger fritté et on évite les zones agglomérées de cavités sphériques. L'empilage dans un moule de frittage est obtenu avantageusement en ce que le moule de frittage comporte des parois intérieures perforées avec précision avec des renfoncements uniformes qui déterminent la position des billes des couches extérieures du corps fritté en fonction du rayon extérieur des billes creuses et de la séquence d'empilage ABA ou ABC. Le moule de frittage rempli est mis en vibration par un appareil à ultrasons, de sorte que les billes s'ordonnent de l'extérieur vers l'intérieur suivant un paquet de billes de compacité maximale. On obtient ainsi l'avantage qu'il peut se former des jonctions continues en matériau fritté. Suivant une forme de réalisation préférentielle du procédé suivant l'invention, on utilise pour l'empilage des billes creuses en nickel ou en cobalt ayant des rayons extérieurs sensiblement égaux avec une étendue de tolérance de + 10 % et on fixe ces billes les unes par rapport aux autres par le préfrittage entre 800 C et 1300 C. On peut ainsi conserver avantageusement lors des étapes suivantes du procédé l'empilage uniforme des billes creuses métalliques. Par le préfrittage des billes creuses métalliques, on obtient avantageusement un demi-produit poreux et stable sans être -soutenu, ce demi-produit convenant aussi comme masse de remplissage pour les éléments de construction tels que les aubes de turbines, parcourus par un gaz de refroidissement, ou comme masse filtrante. On utilise de préférence, suivant les applications, des billes creuses ayant un diamètre extérieur de 0,40 à 5,3 mm et une épaisseur de paroi de 10 micromètres à 300 micromètres. Ces dimensions ont pour avantage que les billes creuses peuvent être mises de façon simple et économique sous forme d'un paquet de billes de compacité maximale. Le remplissage des cavités entre les billes creuses du matériau préfritté avec un alliage métallique en poudre est effectué avantageusement dans un appareil à ultrasons. Dans de tels appareils, on obtient en effet une compacité élevée du paquet avec la dépense minimale et avec de faibles défauts d'empilage. Des matériaux préférentiels pour la poudre métallique sont un ou plusieurs éléments, des alliages ou des composés intermétalliques des éléments suivants : titane, niobium, vanadium, molybdène, cobalt, chrome, nickel, aluminium ou silicium. A l'exception de l'aluminium et du silicium, ces matériaux en poudre sont des métaux de transition à haut point de fusion qui permettent d'obtenir avantageusement plusieurs matériaux de construction légers et réfractaires à base de composés intermétalliques. Les nouveaux matériaux permettent donc de couvrir une large étendue de conditions mécaniques. Dans la gamme des alliages métalliques en poudre, l'aluminium en combinaison avec le nickel a fait ses preuves comme matériau pour les billes creuses. L'aluminium forme avec le nickel les composés intermétalliques NiAl et NiAl3 et il présente vis-à-vis des alliages à base de nickel l'avantage d'une résistance mécanique plus élevée, de sorte que l'élément de construction léger présente, malgré ses jonctions intermétalliques ayant au moins 95 % de la compacité théorique et les cavités sphériques, les mêmes valeurs de résistance qu'un superalliage à base de nickel. Suivant un déroulement préférentiel du procédé, après le préfrittage des billes creuses métalliques, on met en vibration une poudre d'alliage d'aluminium ou une poudre à base d'un mélange d'aluminium et de nickel pour remplir les cavités sphériques entre les billes de nickel. On détermine alors les quantités relatives de nickel et d'aluminium de manière à avoir des proportions stoechiométriques de nickel et d'aluminium rapportées au poids total. Lors du frittage à 1600 C, il se produit le compose intermétallique réfractaire aluminite de nickel. Ce matériau de construction léger fritté possède avantageusement une résistance à chaud, pour des températures de service élevées telles qu'elles se présentent dans une turbine à gaz, plus élevée qu'un alliage à base de nickel. En raison de l'existence des cavités sphériques uniformément réparties, on obtient un matériau de construction léger avantageux en forme de réseau à base de jonctions porteuses frittées à haute résistance à chaud et liées transversalement. Ce matériau permet en particulier, en construction aéronautique et dans la construction des turbines, la mise en oeuvre de nouvelles solutions constructives pour lesquelles il n'y avait pas de matériaux appropriés jusqu'à maintenant. Cela est d'autant plus vrai que ce nouveau matériau associe avantageusement une résistance élevée à chaud et un faible poids spécifique, en étant supérieur aux matériaux céramiques en raison de la grande ténacité qu'il présente simultanément. L'invention est décrite plus en détail ci- après en se référant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente un paquet de billes hexagonal de compacité maximale formé avec des billes métalliques creuses, - la figure 2 représente un paquet cubique à faces centrées de compacité maximale formé avec des billes métalliques creuses, - la figure 3 représente un demi-produit fabriqué avec des billes en nickel préfrittées, - la figure 4 représente une structure préfrittée avec un remplissage des cavités entre les billes creuses, - la figure 5 représente un matériau de construction léger fritté, - les figures 6 à 9 représentent un exemple de réalisation du procédé de fabrication d'un matériau de construction léger. La figure 1 représente un paquet de billes hexagonal de compacité maximale formé avec des billes métalliques creuses 1 suivant la séquence d'empilage ABA, la couche supérieure 2- étant constituée d'une bille creuse centrale 3 entourée de six billes creuses 4 de même grandeur. La couche moyenne 5 située en- dessous est disposée par ses billes creuses 6 dans les renfoncements 7 de la couche supérieure 2 (pour des raisons de place, seul un renfoncement 7 sur deux de la 2641995- couche supérieure 2 est occupé). La couche inférieure 8 reprend les mêmes positions de renfoncements 9 que la couche supérieure 2. Avec cette séquence d'empilage des billes creuses 1, on obtient des zones de jonctions verticales continues 10 qui peuvent recevoir de fortes charges mécaniques. Ces zones sont créées par frittage de poudre métallique dans les cavités formées entre les billes métalliques 1. Il se forme alors un composé intermétallique. On obtient ainsi en même temps une anisotropie avantageuse des propriétés de résistance du matériau de construction léger fritté, cette anisotropie pouvant être avantageusement mise à profit pour les applications les plus diverses. La figure 2 représente un paquet de billes cubique à faces centrées de compacité- maximale. Ce paquet est constitué de billes creuses métalliques 1 avec la séquence d'empilage A,B,C, la couche supérieure 2 et la couche moyenne 5 étant disposées comme dans le cas de la figure 1. La couche inférieure 8 ne prend pas les mêmes positions de renfoncements que la couche supérieure 2, mais est disposée dans les seconds renfoncements, non occupés par la couche moyenne 5, de la couche supérieure 2. On obtient donc un matériau de construction léger fritté à jonctions en forme de réseau 11 qui présente une résistance mécanique accrue dans les diagonales de l'espace. La figure 3 représente un demi-produit formé avec des billes creuses métalliques préfrittées 1 à base d'un alliage de nickel. Ces billes à base de nickel forment un paquet de billes hexagonal de compacité maximale et sont liées entre elles par une opération de frittage à des températures comprises entre 800 et 1300 C. On obtient alors un demi- produit 12 poreux et stable sans être soutenu. Ce demi-produit convient comme élément filtrant ou comme matrice de remplissage pour des éléments de construction, tels qu'aubes de turbines, parcourus par des gaz de refroidissement. La figure 4 représente une structure prefrittée 13 avec un remplissage 14 des cavités entre les billes creuses 1. Cette structure est constituée avec des billes creuses en nickel 22 de 5 mm de diamètre ayant une épaisseur de paroi de 100 microns. Ces billes sont complètement entourées par une poudre d'alliage aluminium-nickel 15. La figure 5 représente un matériau de construction léger fritté avec des cavités sphériques 16 en empilage hexagonal entourées par une matrice en aluminium-nickel 17 formant un composé intermétallique qui contient, en poids, 68,5 % de nickel et 31,5 % d'aluminium. Un exemple de procédé est représenté sur les figures 6 à 9, ces figures représentant une partie d'un parallélépipède dont les côtés ont pour dimensions x 50 x 150 mm. Les billes creuses métalliques 1 ont un diamètre de 5 mm + 10 % et une épaisseur de paroi de 100 micromètres + 10 %. La figure 6 représente trois billes creuses métalliques 1 en nickel constituant une partie d'un parallélépipède de 973 billes creuses vibrées dans un moule de frittage comportant des parois intérieures préparées de façon définie et perforées pour former un paquet de billes de compacité maximale avec une séquence d'empilage hexagonale ABA. Apres l'empilage, le moule de frittage est chauffé à 1050 C pour le préfrittage, de sorte qu'il se forme des premiers ponts frittés 18 qui relient les billes creuses métalliques 1 en donnant un demi-produit stable sans être soutenu. La figure 7 représente trois billes métalliques creuses 1 en nickel faisant partie du demi- produit non soutenu retiré du moule de frittage. Ce demi-produit est introduit dans un autre moule de frittage à surfaces intérieures lisses. Dans ce moule de frittage, les cavités entre les billes creuses en nickel sont remplies avec du nickel et de l'aluminium élémentaires. Les proportions d'aluminium et de nickel sont réglées de façon -telle qu'il se forme, conjointement avec le matériau des billes creuses, le composé intermétallique NiA13 lors du frittage qui suit. La figure 8 représente trois demi-billes creuses métalliques 1 faisant partie d'un parallélépipède, après que celui-ci ait été soumis à un frittage-réaction à 650 C pendant une heure, sous vide poussé, pour former la phase intermétallique 21 en NiA13. Cette étape de frittage-réaction est nécessaire si l'on ajoute du nickel et de l'aluminium élémentaires et est supprimée si le composé intermétallique NiA13 est ajouté sous forme de poudre. La figure 9 représente trois cavités sphériques 16 faisant partie d'un parallélépipède en matériau de construction léger fritté 20. Ce matériau de construction léger fritté se compose essentiellement de la phase intermétallique NiAl qui s'est formée par frittage à 1600 C pendant une heure sous vide poussé. Le matériau de construction léger fritté présente, en raison des cavités sphériques, une densité spécifique de 2,43 g/cm3, tandis que le composé intermétallique NiAl présente une densité de 5,85 g/cm3. REVENDICATIONS 1 - Matériau de construction léger métallique fritté, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué d'une structure en réseau avec des jonctions (10, 11) en composés intermétalliques qui forment des cavités sphériques uniformément réparties et qui sont disposées, pour leur part, comme un empilage de billes (1) de compacité maximale. 2 - Matériau de construction léger métallique fritté selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités sphériques ont un diamètre de 0,4 à 5 mm. 3 - Matériau de construction léger métallique fritté selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les jonctions (10, 11) en matériau fritté ont une densité au moins égale à 95% de la densité théorique de ce matériau. 4 - Procédé pour fabriquer un matériau de construction léger métallique fritté selon la revendication 1, caractérisé par les étapes suivantes dans lesquelles: a) on empile des billes métalliques creuses (1) suivant un paquet de compacité maximale, b)- on effectue un frittage préalable des billes métalliques pour obtenir un matériau préfritté, c) on remplit les cavités du matériau préfritté avec des métaux en poudre, des alliages métalliques ou des composés intermétalliques, le type et les quantités de ces produits étant déterminés en fonction du matériau des billes métalliques creuses pour que, lors du frittage qui suit, il se forme des composés intermétalliques en tant que jonctions (10, 11) entre des cavités sphériques, il d) on fritte le matériau préfritté et la poudre de remplissage à la température de formation de composés intermétalliques, pour obtenir un matériau de construction léger métallique fritté. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les billes creuses présentent sensiblement le même rayon et forment un paquet de billes disposé avec la compacité maximale avec la séquence d'empilage ABA ou ABC. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les billes creuses sont constituées d'un métal à base de nickel ou de cobalt. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'on effectue le préfrittage des billes métalliques sous vide à des températures comprises entre 800C et 1300 C. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'alliage métallique en poudre est constitué d'un ou plusieurs éléments, d'alliages ou de composés intermétalliques des éléments suivants: titane, niobium, vanadium, molybdène, cobalt, chrome, nickel, aluminium ou silicium. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'alliage métallique en poudre est constitué des éléments ou d'un composé intermétallique des éléments nickel et aluminium. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'alliage métallique en poudre est un alliage d'aluminium et de nickel ayant une composition telle qu'il y ait des proportions stoechiométriques de nickel et d'aluminium rapportées à la totalité du matériau.