Brevet FR2665433A1 — publié le 19920207

COMPOSITION DE MATERIAUXACOUSTIQUES DESTINES NOTAMMENTALA REALISATION DE PIECES DE SONOTRODES La présente invention a pour objet une nouvelle composition pour des matériaux du type des cermets ainsi que leur application où ils sont destinés à être utilisés en masse ou en revêtement, dans les matériels et équipements ayant à transmettre des ondes sonores, plus particulièrement ultrasonores. Elle porte donc également sur toutes sortes de pièces, réalisées au moins en partie à partir d'une telle composition, qui peuvent servir par exemple d'organes de montage ou de transmission, notamment dans des sonotrodes Enfin, I'inventíon concerne aussi un procédé de fabrication de ces matériaux. Les matériaux présentant la composition de l'invention se combinent avantageusement aux matériaux que l'on utilise déià de manière courante dans la réalisation de telles pièces. On sait que les pièces mécaniques exposées à des ultrasons sont soumises à des sollicitations mécaniques spécifiques, qui posent des problèmes de résistance et stabilité de fonctionnement dans les appareils exploitant les phénomènes de vibration ultrasonores, alors qu'il n'est pas besoin de rappeler leurs très nombreuses applications dans l'industrie. En général cependant, les matériels utilisés sont équipés de générateurs d'ultrasons et de sonotrodes, qui transmettent les vibrations ultrasonores produites jusqu'à ltendroit de lueur application.On peut penser par exemple aux appareils de découpage ou usinage par ultrasons, aux systèmes d'examen non destructifs, aux appareils de seanning par ultrasons, etc... Le développement des applications des ultrasons a été extrêmement rapide au cours des dernières décennies grâce aux progrès considérables réalisés dans le domaine des générateurs et aux définitions bien meilleures des systèmes vibrants. La limitation qui subsiste encore réside dans les matériaux constitutifs de ces systèmes, et plus particulièrement des interfaces entre les sonotrodes et les matières en contact avec elles. En effet, bien que les possibilités d'application des ultrasons soient quasiment infinies, les limitations apparaissent vite. Les densités d'énergie très élevées localement et les fonctions mécaniques (accélération, vitesse, amplitude...) des systèmes vibrants atteignent des valeurs considérables et elles détruisent rapidement les matériaux dont ils sont constitués. Les spécialistes des ultrasons ont conçu et réalisé leurs matériels en prenant en compte, comme il se doit, d'abord les paramètres relatifs à la transmission du son (module d'élasticité, densité), et ils ont été amenés naturellement à choisir des matériaux transmettant bien les ondes sonores comme la titane ou l'aluminium. Ils ont aussi protégé les pièces les plus exposées aux dégradations par des revêtements durs ou par des plaquettes brasées en mélanges de carbure de tungstène et de cobalt, telles qu'elles sont couramment utilisées pour la réalisation des outillages de perçage et de forage. Des dépôts en couches minces réalisés par vaporisation sous vide ont également été essayés mais leur durée de vie n'est pas suffisante. La présente invention consiste dans la formulation d'une gamme de matériaux à base de céramiques non oxydes légers, capables de résister aux sollicitations mécaniques des ultrasons tout en présentant une excellente inertie chimique. D'autres propriétés utiles de ces matériaux du style cermet sont notamment une densité voisine de celles des métaux constitutifs des sonotrodes, et une dureté égale ou supérieure à celle des plaquettes de carbure de tungstène et cobalt couramment utilisés dans l'état de l'art actuel Ces qualités sont atteintes, conformément à l'invention, grâce à une composition de matériaux acoustiques caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée par une composition de cermet à base de nickel et de carbure de titane. En d'autres termes, un objet de l'invention consiste en une nouvelle utilisation des matériaux composites du type des cermets, à base de nickel et de carbure de titane, dans le domaine des matériaux acoustiques. Les matériaux suivant l'invention sont avantageusement fabriqués à partir de poudres microniques de nickel et de carbure de titane, qui sont mises en oeuvre par frittage pour obtenir une pièce de cermet à la forme désirée Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, de telles pièces présentent la forme de plaquettes à contour circulaire, en général des disques plans et pleins, qui dans une application privilégiée, sont montées en bout de sonotrodes. De préférence, et notamment pour cette application, des matériaux suivant l'invention présentent une densité comprise entre 4,95 et 5,3 et une dureté VICKERS comprise entre 1200 et 3200 HV. Des matériaux composites de type cermet, convenant en particulier comme matériaux acoustiques pour être utilisés dans cette application, peuvent être obtenus par frittage d'un mélange de poudres microniques comprenant de 5 à 40 parties en poids de nickel et 95 à 60 parties en poids de carbure de titane. Des proportions préférées dans le cadre d'une telle composition comportent de 10 à 30 parties en poids de nickel pour 90 à 70 parties en poids de carbure de titane La poudre de carbure de titane présente avantageusement une granulométrie comprise entre 0,1 et 5 microns, et de préférence comprise entre 0,2 et 4 microns et la poudre de nickel présente avantageusement une granulométrie comprise entre 1 et 5 microns et, de préférence, de l'ordre de 2 à 3 microns. Les exemples ci-après illustrent la mise en oeuvre de l'invention dans le cadre de la fabrication de matériaux acoustiques destinés à être utilisés pour constituer des organes de transmission des ondes ultra-sonores. Les matériaux obtenus sont en particulier mis en forme de plaquettes de dimensions appropriées pour être montées en bout des sonotrodes d'appareils à ultrasons en remplacement des plaquettes classiques à base de carbure de tungstène et cobalt. On rappellera à ce sujet que dans les transducteurs ultrasoniques, on distingue généralement une partie émetteur et une partie amplificateur. L'émetteur comporte des éléments piézo-électriques qui produisent des vibrations mécaniques quand ils sont soumis à des variations de champ électrique appliquées par un générateur extérieur La fréquence d'excitation est choisie pour faire vibrer en résonance des masses métalliques dimensionnées en fonction de la longueur d'onde à produire. L'amplificateur est en général constitué par un barreau métallique d'une demi- longueur d'onde, prolongé par la sonotrode sur une longueur d'un nombre entier de longueurs d'onde. Le métal de la sonotrode est le plus souvent un alliage de titane que l'on protège du milieu extérieur au transducteur par une plaquette en céramique brasée sur la face extrême du barreau. Pour constituer de telles plaquettes, les mélanges de poudres de nickel et carbure de titane répondant à la composition suivant l'invention, peuvent être frittées, conformément aux exemples, à une température de l'ordre de 1400 à 1 5000C sous une pression de l'ordre de 2 à 20 ticm2 (soit 20 à 200 mégapascals). Les matériaux obtenus ont notamment l'avantage d'être mieux aptes à transmettre les ondes ultrasonores que ceux des plaquettes antérieures. Contrairement au couple carbure de tungstène et cobalt, ils présentent une densité très proche de celle des alliages de titane, pour une dureté au moins équivalente. Exemple 1: Dans un flacon d'un litre en chlorure de polyvinyle, on introduit 250 g de poudre de carbure de titane (TiC) et 62,5 g de nickel en poudre. La poudre de carbure de titane est une poudre atomisée du type produit commercialement par la Société CEREX et présente une granulométrie HORIBA de 0,25 microns (diamètre moyen à 50 % de particules). La poudre de nickel est du type désigné commercialement par la nuance Mond et issue de Nickel-Carbonyle. Sa granulométrie est comprise entre 2,2 et 2,8 microns. On ajoute du camphre et de l'éther de pétrole en vue de l'opération de mélange qui est effectuée dans un broyeur à boulets de carbure de tungstène. Le mélange dure 24 h. La poudre est récupérée puis séchée pour évaporer toute trace de camphre. On remplit avec cette poudre un moule en résine organique puis on soumet l'ensemble à une pression isostatique de 20 Mégapascals. Le solide obtenu est introduit dans un creuset en graphite pour être soumis à un traitement thermique de frittage pendant 1 h à 1400 C. La plaquette (Tic-Ni) obtenue présente les caractéristiques suivantes: Dureté Vickers sous charge de 50kg/cm2: Hv 50 = 1200 Facteur d'intensité de contrainte: KIC = 6,6 MPa.m112 Densité :98% de la densité théorique. Cette plaquette est ajustée dans une sonotrode en TA6V. La sonotrode est ensuite soumise à 20 kHz pendant 60 heures dans de l'eau. Alors qu'une pastille de même dimension en carbure de tungstène ne résiste que quelques heures, la plaquette en TiC-Ni ne subit aucune altération. Exemple 2 On introduit 90 g de TiC (type CEREX granulométrie HORIBA d50 = 0,25 microns) avec 10 g de Ni (type mond 255 à 2,2 à 2,8 microns) dans un flacon en résine de chlorme de vinyle d'une contenance de 250 cm3. Cette poudre est mélangée, pressée et frittée dans les mêmes conditions que l'exemple 1. La plaquette (TiC-Ni) obtenue présente les caractéristiques suivantes: Dureté Vickers sous charge de 50 kg/m2: Hv 50 = 1545 Densité : 97,5 % de la densité théorique Plutôt que d'être brasée comme dans l'exemple 1, cette plaquette est montée en force dans une sonotrode en AU4G1. La sonotrode ainsi équipée offre une excellente vibration avec une variation de fréquence de 60 Hz pour une fréquence nominale d'ensemble de 20 kHz. Exemple 3: On mélange 144,54 g de poudre de TiC commercialisée par Starck et présentant un diamètre Fischer de 3,6 microns avec 55,46 g de poudre de nickel additionnée d'acétone dans un micromélangeur contenant des billes de carbure de tungstène. L'opération de mélange dure 5 heures. La poudre est récupérée puis séchée dans un ballon maintenu à 75-80 "C par un bain d'huile, puis une dernière opération de séchage sous vide est réalisée. Cette poudre est pressée sous 200 MPa et frittée à 1430 "C pendant 1 heure. La plaquette du cermet TiC-Ni obtenue présente les caractéristiques suivants: Dureté Vickers sous charge de 50 kg/cm2: Hv 50 = 1172 Densité : 5,66. Cette plaquette soumise aux conditions d'ultrasons de l'exemple 1 résiste également plus de 60 heures. Naturellement, I'invention n'est pas limitée à ces exemples particuliers et elle s'étend à toutes variantes des conditions de fabrication et de mise en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Composition de matériaux acoustiques, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée par une composition de cermet à base de nickel et de carbure de titane. 2. Nouvelle utilisation des cermets à base de nickel et de carbure de titane dans le domaine des matériaux acoustiques. 3. Matériaux acoustiques présentant la composition de la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués à partir de poudres atomisées de nickel et de carbure de titane, qui sont mises en oeuvre par frittage pour obtenir une pièce de cermet à la forme désirée, utilisée notamment comme pièce de sonotrode. 4. Matériaux suivant la revendication 3, caractérisés en ce que ladite composition comporte de 5 à 40 parties en poids de nickel pour 95 à 60 parties en poids de carbure de titane. 5. Matériaux suivant la revendication 3 ou 4 caractérisés en ce qu'ils présentent une densité comprise entre 4,95 et 5,3 et une dureté Vickers comprise entre 1200 et 3200 HV. 6. Matériaux suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce que la composition comporte de 10 à 30 parties en poids de nickel pour 90 à 70 parties en poids de carbure de titane. 7. Matériaux suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par frittage d'un mélange de poudres microniques comprenant de la poudre de nickel présentant avantageusement une granulométrie comprise entre 1 et 5 microns, et de préférence comprise entre 2 et 3 microns. 8. Matériaux suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par frittage d'un mélange de poudre micronique comprenant de la poudre de carbure de titane présentant avantageusement une granulométrie comprise entre 0,1 et 5 microns, et de préférence de l'ordre de 0,2 à 4 microns. 9. Matériaux suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce qu'ils présentent la forme de plaquettes propres à être montées en bout de sonotrodes, notamment par brasage ou à force.