Brevet FR2656628A1 — publié le 19910705

La présente invention concerne, de façon générale, des matériaux composites comprenant une matrice à base de titane renforcée de fibres ou filaments de renfort en carbure de silicium. L'invention concerne, de façon plus particulière, des perfectionnements apportés aux composants de matrice relatifs à un matériau composite en aluminure de titane renforcé de carbure de silicium. Des procédés de fabrication de plaques ou de feuilles métalliques à base d'un alliage de titane, ainsi que de structures renforcées dans lequelles des fibres en carbure de silicium sont noyées dans un alliage à base de titane sont décrits dans les brevets des Etats-Unis no 4 175 547, 4 782 884, 4 786 566, 4 805 294, 4 805 833 et 4 838 337 Les procédés d'élaboration de ces matériaux composites font l'objet de recherches intenses, étant donné que ces matériaux composites présentent des propriétés de résistances très élevées par rappport à leur poids Avant le développement des procédés tels que décrits dans les brevets mentionnés ci-avant, de telles structures étaient élaborées en fabriquant un sandwich constitué de filaments de renfort disposés entre des feuilles en alliage à base de titane, puis en pressant l'empilement des couches alternées d'alliage et de filaments de renfort jusqu'à ce qu'une structure composite soit constituée Cependant, ces processus de l'art antérieur provoquaient un certain désalignement des fibres de renfort. Les structures décrites dans les brevets cités ci-avant apportent de nettes améliorations aux processus antérieurs de formation de sandwichs par compression. On a découvert que, tandis que les structures préparées de la manière adéquate dans les brevets mentionnés ci-avant, présentent des propriétés qui constituent de nettes améliorations par rapport aux structures antérieures, il n'est pas possible d'atteindre la résistance à la rupture par traction ultime, ou la résistance à la rupture complète par traction, avec de telles structures, en comparaison de ce qu'il devrait être possible théoriquement d'attein- dre. Les tests des composites élaborés selon les procédés décrits dans les brevets mentionnés ci-avant ont démontré que, bien que les valeurs de module d'élasticité soient généralement en bon accord avec la règle des mélanges, la résistance à la rupture ultime par traction est en général beaucoup plus faible que celle prévue par les propriétés individuelles des composants du matériau composite D'autre part, des tests ont montré que la contrainte totale nécessaire à la rupture du composite est relativement faible et, en plus, il a été observé une formation de fissures étendues, non planaires, dans la matrice On a découvert que, dans des composites constitués d'une matrice en TI-1421 (qui est un qui est un alliage de titane comprenant de façon nominale 14 % en poids d'alluminium et 21 % en poids de niobium) et de renfort en Si C (carbure de silicium), est constituée principalement d'une forme cristalline alpha- 2 qui est une phase intermétallique ordonnée, et que le constituant secondaire de la matrice est constitué par de faibles quantités de matériau en phase bêta Le matériau cristallin alpha-2 tend à avoir une ductilité faible, et on a trouvé que des emrobages de cette phase, qui tendent à se former autour des fibres en Si C, se fissurent pendant la formation du solide. A partir d'observations et d'analyses qui ont été faites, il est apparu à la demanderesse qu'une modifi- cation des proportions relatives des phases qui se forment dans la matrice peut contribuer à empêcher la formation de fissures dans la matrice, ce qui peut constituer une amélioration des propriétés Il est apparu à la demanderesse, à partir de cette étude, qu'une telle amélioration des propriétés peut être atteinte en modifiant le processus de formation des plasmas utilisés pour la constitution de la matrice de la structure composite. En conséquence, un objet de la présente invention consiste à améliorer les propriétés de matériaux composites à matrice à base de titane renforcée de filaments. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé qui permette d'apporter des améliorations dans la matrice de matériaux composites renforcés qui ont une matrice à base de titane. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un moyen de contrôle commode permettant d'optimiser les propriétés d'une matrice d'un matériau composite comprenant une matrice en alliage à base de titane. D'autres objets, caractéristiques et avantages apparaîtront lors de la description détaillée qui va suivre. L'invention concerne un procédé d'élaboration d'un matériau composite renforcé. Selon un caractéristique de cette invention, ce procédé comprend les étapes suivantes: fourniture d'une pluralité de filamments en carbure de silicium; dépôt par pulvérisation par plasma, sur les filamments, d'un aluminure de titane, selon une propor-tion déterminée d'atomes de titane et d'aluminium; et réglage des paramètres du plasma utilisé dans le processus de dépôt par pulvérisation par plasma, afin d'augmenter la surchauffe des particules fondues lors de leur passage au travers du plasma, et d'augmenter ainsi la proportion de la forme cristalline de phase bêta dans le dépôt. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes: fourniture d'un ensemble de fibres de renforcement; montage des fibres sur un substrat afin de recevoir une matrice obtenue par pulvérisation par plasma; fourniture d'un échantillon sous forme de poudre en alliage TI-1421; dépôt par pulvérisation par plasma de la poudre sur les fibres et sur le substrat en utilisant une torche plasma radiofréquence pour former une matrice en alliage TI-1421; et modification de la composition de l'alliage TI-1421 pendant qu'il est déposé par pulvérisation par plasma en augmentant la surchauffe des particules de cet alliage lorsque les particules traversent la flamme du plasma radiofréquence. Selon un mode de réalisation de l'invention, dans ce procédé, le gaz de plasma contient jusqu'à 6 % en volume d'hydrogène. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans ce procédé, le gaz de plasma contient jusqu'à 3 % en volume d'hydrogène. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans ce procédé, le gaz de plasma contient jusqu'à 1,5 % en volume d'hydrogène. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans ce procédé, la surchauffe est augmentée en réduisant la taille des particules de la poudre qui est pulvérisée par plasma. L'invention concerne aussi un produit en métal renforcé de fibres formé d'une couche. Selon une caractéristique de l'invention, ce produit comprend une pluralité de filaments en carbure de silicium, ces filaments étant disposés au voisinage d'un alliage Ti-1421, et cet alliage présentant un pourcentage élevé de forme cristalline bêta. Selon un mode de réalisation de l'invention, les filaments sont alignés axialement. L'invention sera mieux comprise lors de la description détaillée qui va suivre, prise en relation avec les figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles: la figure 1 est un graphique dans lequel on a tracé la composition en pourcentage en poids en fonction du niveau d'hydrogène en pourcentage; les figure 2, 3 et 4 sont des microphotographies d'aluminure de titane renforcé par du carbure de silicium; et la figure 5 est un graphique représentant la résistance à la rupture par traction en fonction de la proportion en pourcentage du volume de carbure de silicium. La demanderesse a observé, comme cela a été noté ci-avant, que l'alliage connu commercialement sous l'appellation Ti-1421, qui est un alliage de titane comprenant de façon nominale 14 % en poids d'alluminium et 21 % en poids de niobium, tend à former un cristal en phase alpha-2 (a-2) comprenant un taux minime de cristal en phase bêta (îS) La demanderesse a observé que la forme bêta de l'alliage est préférable pour ce qui concerne certaines des propriétés qu'elle présente et qui comprennent une ductilité supérieure à température ambiante et une tendance plus faible à la formation de fissures Des structures composites comprenant un renfort en fibre de carbure de silicium et une matrice en Ti-1421 ont été élaborées en utilisant des techniques de pulvérisation plasma telles que celles décrites dans les six brevets référencés ci- avant dans l'exposé de l'art antérieur. De façon surprenante, la demanderesse a trouvé que par une modification du procédé de pulvérisation plasma, il est possible d'augmenter de façon significa- tive la concentration du constituant bêta dans le matériau pulvérisé et déposé Ti-1421 Dans ce sens, la demanderesse a trouvé qu'un taux élevé de composé en phase bêta est présent dans le matériau composite consolidé, lorsqu'un taux contrôlé d'aluminium est vaporisé à partir de l'alliage Ti1421 pendant la phase de dépôt. La volatilisation de l'aluminium est obtenue en faisant varier le degré de surchauffe dans la poudre fondue de Ti-1421 Le degré de surchauffe est modifié principalement en modifiant la composition du gaz plasma afin d'augmenter le niveau de surchauffe qui est appliqué aux particules de la poudre de Ti-1421 lorsqu'elle traverse la flamme plasma. Le traitement plasma de l'alliage Ti-1421 afin de convertir la poudre en une matrice peut être mis en oeuvre de la façon décrite dans les six brevets référencés ci-avant dans l'exposé de l'art antérieur. On peut aussi utiliser d'autres techniques connues de dépôt plasma. D'autre part, la façon de modifier le traitement plasma afin de diminuer la concentration d'aluminium dans l'alliage déposé peut être effectuée de la manière suivante Une façon pour augmenter la surchauffe d'une poudre traitée par plasma consiste à modifier la concentration d'hydrogène dans le gaz plasma De façon surprenante, la demanderesse a trouvé que lorsque l'alliage Ti-1421 est traité avec un mélange gazeux du plasma comprenant une concentration d'hydrogène gazeux plus élevée, il ne se produit pas seulement une tendance plus élevée à produire l'évaporation de l'alu- minium, mais, de façon très surprenante, il se produit en plus une tendance plus élevée à la formation de cristal en phase bêta dans l'alliage Ce résultat n'a pas été expliqué. La demanderesse a trouvé de façon inattendue que la forme du cristal de l'alliage Ti-1421 peut être modifiée en passant de sa forme normale alpha2 à une forme bêta D'autre part, la demanderesse a trouvé que la modification peut s'effectuer dans une faible proportion ou dans une grande proportion selon le procédé plasma utilisé Un niveau élevé de la forme en phase bêta ou un niveau intermédiaire de la forme en phase bêta peuvent être produits dans l'alliage déposé par plasma, en fonction du niveau de surchauffe des particules qui traversent la flamme plasma, et également en fonction du niveau de la forme cristalline en phase bêta de l'alliage déposé La demanderesse n'est pas sûre de la raison pour laquelle l'alliage TI-1421 subit le changement de la forme cristalline qui a été observé mais elle sait que ce changement se produit et que ce changement est avangageux. Un certain nombre de tests du procédé d'élaboration de matériaux composites comprenant une matrice à base de titane renforcée de fibres ont été élaborés Le tableau I ci-dessous donne les résultats de ces tests dans lesquels la proportion en volume de la charge en carbure de silicium est maintenue approxi- mativement constante, et le pourcentage d'hydrogène dans le gaz du plasma varie. TABLEAU I Données de contrainte de traction longitudinale à température ambiante pour un dépôt par pulvérisation par plasma de Ti-1421 sur SCS-6 N O Réf % H 764 O 0,30 820 O 0,33 820 O 0,33 822 1,5 0,33 822 1,5 0,33 823 3,0 0,34 823 3,0 0,34 % vol R R A C T U. Si C 0,02 % (M Pa) (M Pa) 1 456 1 359 1 615 1 711 1 649 1 780 A partir des données présentées dans le tableau I, on voit que la concentration d'hydrogène est passée successivement de O % à 1,5 % et à 3 % La proportion en volume de la charge de fibres de renforcement en carbure de silicium est sensiblement constante pour au moins six des compositions mentionnées dans le tableau. On peut observer que la résistance à la rupture apparente (à 0,02 %) augmente en moyenne avec la concentration d'hydrogène dans le gaz du plasma De façon similaire, la résistance à la rupture ultime, ou résistance à la rupture effective de l'éprouvette, s'accroît de façon appréciable avec la concentration d'hydrogène. Contr. totale 0,66 1,02 0,98 1,17 > 1,17 1,13 1,22 Module (M Pa) 193 890 209 070 204 240 201 480 219 420 210 450 215 970 La demanderesse a trouvé que le pourcentage d'hydrogène dans le gaz n'affecte pas le niveau de la surchauffe produite dans les particules de l'alliage lorsqu'elles traversent la flamme plasma On a utilisé comme gaz de base dans ce traitement un mélange composé de 2/3 d'hélium et de 1/3 d'argon Cependant, c'est l'adjonction de la faible quantité d'hydrogène à ce gaz de base qui permet de contrôler le niveau de surchauffe des particules Cette corrélation entre la concentration d'hydrogène gazeux et la surchauffe, ainsi que la corrélation correspondante entre la concentration d'hydrogène gazeux et le niveau de la forme cristalline en phase bêta dans l'alliage déposé permet la mise en oeuvre de la présente invention à l'aide d'un outil efficace, bien qu'inattendu, afin de contrôler le niveau de forme cristalline en phase bêta produit dans l'alliage déposé de TI-1421. La demanderesse a effectué des déterminations de la concentration d'aluminium dans l'alliage TI-1421 déposé par plasma, en fonction de la concentration d'hydrogène dans le gaz du plasma Les données recueillies sont relatives à un certain nombre de lots de poudres différentes présentant différentes concen- trations initiales d'aluminium et de niobium, et présentant également différentes tailles de particules. Les données recueillies à partir de ces différents tests et études sont reportées sous forme de tracés dans la figure 1, et révèlent les modifications des valeurs qui apparaissent clairement au travers de ces tracés. Ces données font apparaître clairement, comme cela est révélé dans les tracés de la figure 1, que la concentration d'aluminium s'est modifiée pour des alliages présentant des concentrations initiales d'alu- minium d'environ 14 % La concentration initiale a été diminuée sous l'action du procédé de dépôt par pulvérisation par plasma, et le degré de diminution en fonction à la fois du niveau d'hydrogène dans le gaz du plasma et de la taille moyenne des particules de la poudre ayant servi pour effectuer le dépôt par pulvérisation par plasma Il apparaît à l'évidence que la diminution de la concentration d'aluminium augmente avec l'augmentation de la concentration d'hydrogène jusqu'à environ 6 % D'autre part, le degré de modification de concentration d'aluminium dans l'allia- ge TI-1421 augmente avec la diminution de la taille moyenne des particules de la poudre ayant servi pour le dépôt par pulvérisation par plasma. Cependant, la signification réelle des modifications qui apparaissent dans la matrice déposée ne peut être obtenue à partir des graphiques de la figure 1, ni à partir des microphotographies des figures 2, 3 et 4 Chacune de ces trois micropho- tographies est effectuée avec le même agrandissement, comme cela est indiqué par le segment représentant 50 microns dessiné dans la partie inférieur de ces figures La figure 2 est une microphotographie de la matrice renforcée formée par dépôt par pulvérisation par plasma de l'alliage TI-1421, en utilisant un gaz de plasma exempt d'hydrogène On peut observer que la matrice en phase alpha-2 présente de très petites régions isolées de phase bêta situées dans la matrice. La figure 3 représente une matrice similaire à celle de la figure 2 mais correspondant à une microphotographie d'une matrice renforcée dont la composition est préparée à l'aide d'un dépôt par pulvérisation par plasma et dont la consolidation résulte du gaz de plasma utilisé qui contient environ 1,5 % d'hydrogène. En se reportant maintenant à la figure 4, on distingue une microphotographie d'une matrice d'alliage TI-1421 renforcée par des fibres, cette matrice étant déposée en employant un gaz de plasma contenant 3 % il d'hydrogène Les autres constituant du gaz dans chacun des trois exemples correspondent à environ 2/3 d'hélium et 1/3 d'argon. On observera, à partir de la figure 4, qu'il existe des régions semicontinues étendues de phase bêta ou de phase bêta transformée dans la matrice formée en utilisant le gaz de plasma qui contient 3 % d'hydrogène. D'autre part, une observation détaillée de ces trois microphotographies fait apparaître que la largeur des enveloppes alpha-2 qui entourent les fibres diminue avec le niveau de phase bêta dans la matrice du matériau composite. Certains détails du procédé sont mis en évidence à partir des trois exemples 1 à 3 qui vont suivre. Un échantillon de poudre de TI-15 Al-2 l Nb, dans lequel les proportions d'Al et de Nb sont données en pourcentage en poids, est produit par un procédé plasma à électrode tournante La poudre obtenue de cette façon est triée, et les particules dont la taille est comprise entre 110 et 180 microns sont utilisées pour l'étude du dépôt plasma Trois dépôts par pulvérisation plasma de la poudre TI-15 Al-2 l Nb sont réalisés Pour ces trois essais, le taux d'hydrogène dans le gaz du plasma est respectivement de 0, 1,5 et 3 % Une surface de réception est préparée préalablement en enroulant des fibres de carbure de silicium, qui sont disponibles commercialement auprès de Textron Specialty Materials Company et identifiées par la dénomination commerciales SCS-6, sur un cylindre d'acier La poudre est projetée par plasma sur le cylindre d'acier pour former une matrice avec les fibres et pour constituer une couche unique Un ensemble de quatre de ces couches uniques est ainsi préparé pour chacun des différents gaz du plasma Les quatre bandes d'un ensemble sont fortement comprimées ensemble à 1 000 C pendant trois heures, sous une pression de 100 M Pa environ. Les structures par pulvérisation par plasma en matériau composite renforcé ainsi constituées contiennent de 33 à 34 % en volume de matériau de renforcement en carbure de silicium Trois plaques de cette sorte sont préparées avec des gaz de plasma contenant respectivement 0, 1,5 et 3 % d'hydrogène Des microstuctures des ces plaques ainsi formées sont étudiées, et des microphotographies de ces structures sont effectuées et constituent l'illustration des figures 2, 3 et 4 Comme cela a été noté ciavant, le plus faible niveau de phase bêta ou phase bêta transformée (en noir) est présent dans la plaque correspondant à 0 % d'hydrogène, et le niveau le plus élevé de phase bêta ou de phase bêta transformée est présent dans la plaque correspondant à 3 % d'hydrogène. La plaque correspondant à 1,5 % d'hydrogène contient un niveau intermédiaire de phase bêta ou de phase bêta transformée. Des éprouvettes de traction sont préparées à partir de chacune de ces plaques, et sont testées à température ambiante, de façon que la contrainte soit exercée parallèlement à la direction des fibres Les données obtenues sont reportées dans le tableau I ci- avant Le tableau I comporte également des résultats relatifs à une autre plaque à faible niveau de phase bêta (RF-764) qui a été préparée par pulvérisation par plasma avec 0 % d'hydrogène, et qui a été fabriquée en utilisant les mêmes conditions que celles décrites ci- avant. On peut observer de façon générale que les plaques contenant la concentration élevée de phase bêta tendaient à être plus résistantes à la traction et à avoir une résistance à la rupture plus élevée que les plaques obtenues avec les matrices à faible niveau de phase bêta La résistance relative des matériaux composites à haut niveau de phase bêta et à faible niveau de phase bêta est représentée en figure 5 La figure 5 est un tracé de la résistance à la rupture par traction ultime exprimée en k Pa en fonction de la proportion en volume de carbure de silicium présent dans la structure, exprimée en pourcentage en volume. Il est évident, à partir des résultats correspondant au tracé de la figure 5, que les plaques préparées selon le procédé de la présente invention avec un haut niveau de phase bêta, comme cela a été décrit ci- avant et comme cela ressort des exemples, présentent le meilleur ensemble de propriétés pour les structures préparées par des procédés de fabrication de composites à haut niveau de phase bêta et de composite à faible niveau de phase bêta. D'autre part, un examen métallographique de la zone de rupture des éprouvettes de traction révèle qu'il y a une grande quantité de fissures continues de la matrice dans les plaques à faible niveau de phase bêta, mais seulement de courtes fissures dans les plaques à haut niveau de phase bêta. De façon générale, les résultats obtenus, décrits présentement et illustrés par les figures, révèlent que les modifications de microstructure des matrices de matériaux composites contenant l'alliage TI-1421 concernent les propriétés améliorées dûes au haut niveau de phase bêta et les améliorations du mode de rupture du composite. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un matériau composite renforcé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: fourniture d'un ensemble de fibres de renforcement; montage des fibres sur un substrat afin de recevoir une matrice obtenue par pulvérisation par plasma; fourniture d'un échantillon sous forme de poudre en alliage TI-1421; dépôt par pulvérisation par plasma de la poudre sur les fibres et sur le substrat en utilisant une torche plasma radiofréquence pour former une matrice en alliage TI-1421; et modification de la composition de l'alliage TI- 1421 pendant qu'il est déposé par pulvérisation par plasma en augmentant la surchauffe des particules de cet alliage lorsque les particules traversent la flamme du plasma radiofréquence. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le gaz de plasma contient jusqu'à 6 % en volume d'hydrogène. 3 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le gaz de plasma contient jusqu'à 3 % en volume d'hydrogène. 4 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le gaz de plasma contient jusqu'à 1,5 % en volume d'hydrogène. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la surchauffe est augmentée en réduisant la taille des particules de la poudre qui est pulvérisée par plasma. 6 Produit en métal renforcé de fibres formé d'une couche, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de filaments en carbure de silicium, ces filaments étant disposés au voisinage d'un alliage Ti- 1421, et cet alliage présentant un pourcentage élevé de forme cristalline bêta. 7 Produit selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les filaments sont alignés axialement.