Brevet FR2671807A1 — publié le 19920724

La présente invention concerne l'élaboration de pièces en matériau composite à matrice métallique incorporant des renforts intermétalliques qui présentent de nombreux avantages, notamment une faible densité, un point de fusion élevé, une très bonne tenue à chaud en termes de stabilité et de comportement mécanique, une résistance à l'usure très élevée ainsi qu'une bonne résistance à l'oxydation.A titre de renforts intermétalliques les aluminiures de nickel (Al3Ni, AlNi, AlNi3) et plus généralement les trialuminiures de métaux de transition des colonnes III-A à V-A du tableau périodique (à savoir en particulier Sc, Ti, Zr, Nb, Ta) sont très appréciés et il est possible dans le cas de l'aluminium pur polycristallin dont la résistance à rupture est de 50 MPa d'obtenir avec 25% dtintermétalliques Al3Ni une augmentation de la résistance d'un facteur 7. Les procédés d'élaboration de tels matériaux mettent généralement en oeuvre une croissance in situ par solidification dirigée d'un alliage liquide ayant une composition eutectique ou pseudo-eutectique. On obtient ainsi des fibres monocristallines Al3 Ni bien alignées, uniformément distribuées et parfaitement liées à la matrice d'aluminium. Toutefois, ces procédés sont tout à fait inadaptés à une production de masse, puisque les vitesses de tirage sont de l'ordre de 1 à 10 cm/h, ce qui conduit à des coûts de production prohibitifs. Aujourd'hui, seules les industries aéronautiques et aérospatiales ont développé de tels matériaux composites par cette voie. On a bien proposé (US-A-4 906 531) un procédé d'élaboration de tels matériaux en préparant une masse métallique liquide mère destinée à former ladite matrice, à laquelle on adjoint avec dispersion homogène une charge de métal solide sous forme pulvérulente à base de nickel et de composés intermétalliques, ladite dispersion homogène étant maintenue pendant une durée strictement limitée, après quoi on procède au moulage de solidification.Plus précisément, selon ce procédé connu, la charge métallique à l'état pulvérulent comprend des composés intermétalliques (AlNi, Al3Ni2, Al3Ni, AlNi3) préalablement préparés et on limite la durée de la phase de dispersion, c'est-à-dire de mise en contact des poudres métalliques avec la masse liquide mère de façon à éviter à coup sûr toute dissolution des poudres métalliques ; en fait les poudres sont pratiquement maintenues intactes et se retrouvent dispersées de façon homogène partiellement en tant que renforts intermétalliques dans la matrice solidifiée. On réalise ainsi des pièces métalliques renforcées, mais au prix d'une élaboration préalable des composés intermétalliques. L'objet de la présente invention vise un procédé de ce type, qui est plus simple à mettre en oeuvre et qui conduit à l'obtention de pièces composites présentant encore de meilleures propriétés et cet objectif de l'invention est atteint en ce que, compte tenu des conditions de ladite dispersion, notamment de la température initiale de la masse liquide mère et de la nature des métaux en présence, la durée de l'opération de dispersion est suffisante pour que la charge pulvérulente dispersée constituée à base de l'un ou plusieurs des métaux précités (à savoir et en particulier Ni, Sc, Ti, Zr, Nb, Ta) soit substantiellement en totalité dissoute dans la masse de métal liquide mère, et en ce qu'à partir de ce moment on procède sans attendre au moulage de solidification élaborant une pièce métallique à matrice incorporant des renforts intermétalliques de l'un ou plusieurs des métaux précités de forme fibreuse à orientations préférentielles. De la sorte, on produit in situ dans la matrice métallique les renforts intermétalliques par la dispersion de poudres de l'un ou plusieurs des métaux précités, sans qu'il soit nécessaire d'élaborer préalablement les composés intermétalliques souhaités. Il en résulte une simplification extraordinaire du procédé, qui peut s'appliquer à tous les procédés de coulée de moulage, que ce soit par simple gravité, sous pression, moulage à forgeage ("squeeze-casting"), basse pression, etc...En outre, en procédant de la sorte, on écarte les difficultés associées à l'incorporation homogène de composés intermétalliques préparés à l'avance dans la matrice. C'est avec surprise que les inventeurs ont en effet constaté cette formation in situ des composés intermétalliques dans des conditions opératoires prescrites et rappelées précédemment, mais la surprise a été d'autant plus grande que l'on a constaté en outre que les composés intermétalliques ainsi formés se présentaient en disposition alignée selon des orientations préférentielles, représentant ainsi des fibres de renfort particulièrement efficaces. En pratique, la mise en oeuvre du procédé permet donc de réaliser in situ un composé intermétallique par incorporation de poudres métalliques dans un alliage métallique liquide. Lors de la mise en contact des poudres avec le métal liquide, divers phénomènes (dissolution du métal solide dans le métal liquide, diffusion des espèces présentes, réactions chimiques, élévation de la température du bain) se produisent à l'interface grain de poudre/métal liquide. Il en résulte alors une dégradation définitive de la poudre métallique et la formation d'un composé intermétallique après refroidissement ; celui-ci a une structure fibreuse et présente de ce fait une bonne liaison avec la matrice. Les compositions de l'alliage liquide et des poudres à incorporer sont déterminées par la nature du composite à former et les contraintes du procédé. Les compositions doivent être compatibles, c'est-a-dire qu'il doit exister dans la région des diagrammes de phases intéressant un eutectique, un composé intermétallique dont les caractéristiques sont recherchées et des pentes de liquidus suffisamment douces pour permettre la dissolution complète de la poudre introduite dans le métal liquide. En pratique, les compositions usuelles en fonderie des alliages d'aluminium suivants sont utilisables aluminium pur, aluminium-zinc avec O à 10% en poids de zinc, aluminium-étain avec 0 à 10% en poids d'étain et aluminium-magnésium avec 0 à 10% en poids de magnésium. En ce qui concerne les poudres métalliques, l'utilisation des éléments précités à savoir en particulier Ni, Ti, Zr, Nb, Ta, Sc ou de leurs alliages contenant des proportions réduites d'éléments d'addition est appropriée. Pour la poudre tout autant que pour la matrice, les compositions d'alliage avec des éléments tels que le silicium ou le cuivre, qui peuvent dans certaines conditions inhiber la formation d'intermétalliques, sont moins favorables et dans certains cas inutilisables pour élaborer des compositions à renfort intermétalliques. Selon une forme préférentielle de l'invention, on préchauffe la poudre à la température de la masse liquide mère avant de l'adjoindre à ladite masse liquide mère. Le choix de la température est déterminé par la nature du couple poudre/métal liquide et on tient compte de la réactivité de l'ensemble. Il s'avère particulièrement avantageux d'assurer la mise en contact initiale de la charge de métal sous forme pulvérulente avec la masse liquide mère par petits paquets de métal pulvérulent placés dans des conteneurs en aluminium ou alliage d'aluminium. Ces conteneurs se présentent sous forme de pastilles ou de papillottes formées d'une enveloppe d'aluminium de très faible épaisseur, dans laquelle est placée une faible quantité de poudre, et cette enveloppe disparaît dès la mise en contact avec la masse métallique liquide mère. Un léger compactage de l'ensemble permet de diminuer la quantité de gaz occlus. Cette technique présente l'avantage d'offrir un mode de conditionnement de la poudre facilitant sa manipulation (automatisation possible) et apportant un surcroît de souplesse dans le procédé en réduisant les risques d'oxydation de la poudre durant son préchauffage grâce à l'étanchéité partielle de l'enveloppe d'aluminium. Ces pastilles ou papillottes sont placées ensuite dans un creuset maintenu à une température égale ou inférieure à celle du métal liquide, et l'alliage liquide est ensuite versé dans le creuset contenant la poudre ; l'agitation du bain permet de disperser progressivement les grains de poudre, de les mettre en suspension et d'assurer leur dissolution par diffusion convective. Selon une autre forme de mise en oeuvre l'introduction et la dispersion de la charge métallique pulvérulente s'effectue par l'intermédiaire d'un vecteur gazeux de brassage. A titre de gaz on utilise un gaz neutre tel l'azote, ou l'argon. Cette façon de faire est moins souple que la précédente mais donne cependant les mêmes résultats ; elle impose une installation permettant l'insufflation de la totalité de la poudre dans un temps assez bref pour assurer l'homogénéité du mélange, ce dispositif étant couplé à un moyen de préchauffage de la poudre. De préférence la charge de métal à l'état pulvérulent présente une granulométrie moyenne inférieure à 1000 microns, et de préférence inférieure à 100 microns. La distribution des tailles est fixée par les exigences du procédé et doit permettre à la fois une dissolution simultanée de tous les grains de poudre ainsi que le contrôle de la température du métal. On met ici à profit l'exothermicité des réactions chimiques susceptibles de se produire quand la surface des poudres est au contact du liquide. Il en résulte alors une élévation rapide de la température du bain, ce qui facilite sa saturation. La fraction volumique de poudres introduites doit être compatible avec une bonne coulabilité du mélange et doit également tenir compte des réactions exothermiques modifiant la température du bain. De surcroît, sa valeur doit être comprise entre la composition volumique de l'eutectique et celle du composé intermétallique. Au-delà de cette dernière, il y aurait formation de plusieurs composés intermétalliques et le composite final serait alors un hybride. En outre, cette valeur détermine la granulométrie optimale de la poudre à introduire : la surface spécifique (surface totale de dissolution sur volume de poudre introduite) doit croître avec l'augmentation de la fraction volumique introduite. Bien que ceci ne constitue pas une condition décisive, on veille à ce que les poudres retenues soient peu oxydées en surface afin d'assurer une bonne réactivité de l'ensemble et un bon rendement de réaction. Ainsi qu'il a été précisé précédemment le choix de la méthode de moulage est libre. Toutefois on tire d'autant mieux parti du matériau pour une application donnée qu'il est possible de contrôler la formation de la microstructure. Ainsi, certains procédés de moulage permettant de contrôler la solidification en jouant sur la répartition des zones d'échanges thermiques moule/pièce (e.g. moules métalliques refroidis) autorisent une plus grande plage de microstructure, et en particulier, le contrôle du front de solidification dans le moule peut permettre de créer une orientation préférentielle des intermétalliques. L'excellente stabilité thermique observée généralement avec des intermétalliques à points de fusion sensiblement plus élevés que les points de transformation de la matrice autorise tous les traitements thermiques. Il est possible d'observer une évolution de la forme des intermétalliques, toutefois très limitée, lorsque les durées de maintien dépassent 12 heures. L'invention est maintenant illustrée par un mode de mise en oeuvre apprécié en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une vue d'une microstructure d'une pièce élaborée selon l'invention, la largeur de la reproduction étant de 2 mm et sa diagonale étant de 3,6 mm, tandis que la figure 2 représente à un grossissement quatre fois plus important le détail encadré de la figure 1. Le matériau composite recherché est une matrice en alliage Al-4%Zn- 1%Mg- 0,2%Cu (% pondéraux) contenant une dispersion de fibres intermétalliques Al3Ni. Les matériaux choisis sont donc l'alliage de la matrice fondu et maintenu entre 700"C environ et la température du liquidus de la partie pertinente du diagramme de phases, ainsi qu'une poudre de nickel-carbonyl (99,9%Ni) d'une granulométrie moyenne de 3pm. Le rapport du volume de poudre à celui du métal liquide est de 5/95. La poudre est au fond d'un creuset porté à une température identique à celle du métal, elle se présente sous forme de pastilles ou de papillottes constituées de poudres insérées dans une fine enveloppe d'aluminium (de préférence inférieure en épaisseur à 100 pm).Le métal liquide est ensuite versé dans le creuset contenant les pastilles ou les papillottes. L'agitation mécanique de l'ensemble démarre immédiatement après cette dernière opération. La dissolution est complète en moins de 60 secondes. On coule l'alliage selon le procédé de moulage retenu. Les figures 1 et 2 représentent une micrographie d'un échantillon prélevé sur une pièce automobile moulée par "squeeze-casting" : la microstructure est constituée d'une solution solide d' aluminium-zinc-cuivre-magnésium contenant une distribution d'intermétalliques Al3Ni. Ces intermétalliques sont en forme de fibres constituées d'une succession alignée de nodules ayant un diamètre de 1 à 3 microns et une longueur de quelques microns ou quelques dizaines de microns, dans lesquels on retrouve les autres éléments d'alliages de la matrice. Pour obtenir cette structure, il convient de couler l'alliage dans un laps de temps assez court afin d'éviter une dégradation inévitable des géométries dtintermétalliques. Un résultat identique est obtenu avec une matrice d'aluminium pur au lieu de l'alliage au zinc précité. De même, on obtient un résultat analogue en remplaçant la poudre de Ni par une poudre de l'un ou plusieurs des métaux précités, à savoir Sc, Ti, Zr, Nb et Ta. Il y a lieu de noter que la configuration naturelle à orientations préférentielles des fibres dtintermétalliques peut être améliorée par une action magnétique, par exemple au moyen d'un dispositif magnétique intégré au moule. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration de pièces en matériau composite à matrice métallique incorporant des renforts intermétalliques, notamment du type à matrice constituée d'aluminium, le cas échéant allié à teneur de O à 10% avec du zinc et/ou du magnésium et/ou de l'étain et à renforts intermétalliques comprenant un ou plusieurs aluminiures de nickel le cas échéant allié avec du fer et/ou du chrome, du genre où l'on prépare une masse métallique liquide mère destinée à former ladite matrice, à laquelle on adjoint avec dispersion homogène une charge de métal solide sous forme pulvérulente à base de nickel ou d'un autre métal de transition des colonnes III-A à V-A du tableau périodique, à savoir en particulier Sc, Ti, Zr, Nb et Ta, ladite dispersion homogène étant maintenue pendant une durée précise, après quoi on procède au moulage de solidification, caractérisé en ce que, compte tenu des conditions de ladite dispersion, notamment de la température initiale de la masse liquide mère et de la nature des métaux en présence, ainsi que de la granulométrie de la charge métallique solide adjointe, la durée de l'opération de dispersion est suffisante pour que ladite charge pulvérulente dispersée soit substantiellement en totalité dissoute dans la masse de métal liquide mère, et en ce qu'à partir de ce moment on procède sans attendre au moulage de solidification élaborant une pièce métallique à matrice incorporant des renforts intermétalliques à base de l'un ou plusieurs des métaux précités de forme fibreuse à orientations préférentielles. 2. Procédé d'élaboration selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on préchauffe la poudre à la température de la masse liquide mère avant de l'adjoindre à ladite masse liquide mère. 3. Procédé d'élaboration selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on assure la mise en contact initiale de la charge de métal sous forme pulvérulente avec la masse liquide mère par petits paquets de métal pulvérulent placés dans des conteneurs en aluminium ou alliage d'aluminium. 4. Procédé d'élaboration selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on place lesdits conteneurs au fond d'un creuset, le tout porté à la température de la masse liquide mère, avant de déverser ladite masse liquide mère dans ledit creuset, après quoi on fait intervenir des moyens mécaniques de brassage. 5. Procédé d'élaboration selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'introduction et la dispersion de la charge métallique pulvérulente s'effectue par l'intermédiaire d'un vecteur gazeux de brassage. 6. Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la charge de métal à l'état pulvérulent présente une granulométrie moyenne inférieure à 1000 microns, et de préférence inférieure à 100 microns. 7. Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la masse liquide mère constituée à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium présente une température initiale comprise entre 700"C environ et la température du liquidus de la partie pertinente du diagramme des phases. 8. Procédé d'élaboration selon la revendication 7, caractérisé en ce que la charge de métal à l'état pulvérulent est constituée de nickel carbonyle (99,9% Ni) dont la granulométrie moyenne est de l'ordre de 3 microns, la durée de l'opération de dispersion étant de l'ordre de 1 à 2 minutes. 9. Procédé d'élaboration selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fraction volumique de poudres est comprise entre la fraction volumique de l'eutectique et celle du composé intermétallique recherché. 10. Procédé d'élaboration selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on améliore la configuration à orientations préférentielles des fibres d'intermétalliques par action magnétique. 11. Pièce d'aluminium, le cas échéant allié à teneur de O à 10% avec du zinc et/ou du magnésium et/ou de l'étain, à renforts intermétalliques comprenant un ou plusieurs aluminiures de nickel ou de l'un ou plusieurs des métaux de transition des colonnes III-A à V-A du tableau périodique, à savoir en particulier Sc, Ti, Zr, Nb et Ta, caractérisé en ce que lesdits renforts intermétalliques se présentent sous forme de fibres à orientations préférentielles constituées chacune d'un alignement de nodules plus ou moins allongés ayant un diamètre de l'ordre de 1 à 3 microns et une longueur de plusieurs microns, voire de plusieurs dizaines de microns.