Brevet FR2666819A1 — publié le 19920320

i La présente invention concerne le domaine de la métallurgie et, de façon plus spécifique, un procédé pour produire un matériau métallique de base moulé dans lequel sont réparties de très fines particules, qui peuvent être des particules de céramiques, de métaux, d'alliages, de ma- tériaux intermétalliques, de carbure, de nitrure, de borure et de substances utiles pour améliorer les propriétés du métal de base. Le développement de l'aéronautique et de la construction navale, de l'industrie automobile et d'un cer- tain nombre d'autres industries requiert de nouveaux maté- riaux présentant des caractéristiques d'usinabilité et de service améliorées. On fabrique actuellement les matériaux métal- liques de construction (alliages) en faisant fondre le mé- tal de base pour l'amener à l'état liquide, en y ajoutant des composants additionnels, le processus de fusion étant mis en oeuvre à la température de l'ensemble du système, ce qui garantit la fusion complète et la dissolution réci- proque des composants (figure 2 a annexée à la présente de- mande). Lorsque la température de l'alliage s'abaisse pendant le refroidissement et la solidification, la solubi- lité des composants de l'alliage diminue fortement et, à une certaine température particulière pour chaque système et composition d'alliage, les phases solides commencent à précipiter et croissent à partir de la masse fondue homo- gène, sous la forme de cristaux de composants d'alliages ou, plus fréquemment, sous la forme des cristaux des compo- sés chimiques d'éléments constitutifs (phases intermétal- liques) (figures 2, b, c annexées à la présente demande). Lors d'un refroidissement complémentaire, le reste de la masse fondue cristallise sous la forme d'une solide des composants situés dans le métal de base (figure 2, d an- nexée à la présente demande) Les phases métalliques possé- dant un réseau cristallin et des propriétés différentes de celles de l'alliage de base (matrice) affectent fortement les propriétés du système d'alliage dans son ensemble. La taille des phases intermétalliques, qui préci- pitaient lors du processus de cristallisation de l'alliage, ne doit pas dépasser les fractions d'un micron, sinon la qualité de l'alliage est fortement affectée en raison de la perte de ductilité et de résistance mécanique. La solubilité des métaux et des métalloïdes dans la matrice métallique est très fortement limitée à l'état solide, et ce facteur justifie la sélection sévère des al- liages commerciaux et la limite obtenue dans la pratique dans l'amélioration des propriétés des alliages de construction commerciaux en raison d'une modification de leur composition. On a développé une nouvelle classe de matériaux de construction, qui contiennent, à l'état incorporé arti- ficiellement, des particules ou des fibres d'oxydes, de carbure et d'autres composés permettant d'obtenir des pro- priétés garanties du système dans son ensemble De tels ma- tériaux sont connus comme étant des produits composites étant donné que les constituants du système métallique ne précipitent pas à partir du métal de la matrice, comme dans le cas des alliages classiques, mais sont incorporés arti- ficiellement dans le système Tous les alliages métalliques connus représentant la matrice avec des particules incorpo- rées, dont les propriétés diffèrent fortement de la ma- trice, sont fondamentalement les produits composites, bien qu'elles apparaissent naturellement dans la fabrication d'alliages. Les propriétés des matériaux métalliques repré- sentés par un système composite d'origine artificielle et naturelle sont les suivantes: la ductilité du matériau est déterminée par l'aptitude de la matrice (en général l'aptitude des solu- tions solides des constituants dans l'alliage de base) à avoir un fluage plastique, ainsi que par les dimensions et la structure cristalline des intermétalloïdes et d'autres inclusions dans la matrice; la résistance mécanique, la résistance à la chaleur, la résistance à la fatigue, la résistance des ma- tériaux au développement de fissures sont déterminées par l'interaction des inclusions et de la matrice, ainsi que des déformations du réseau cristallin de la matrice sous l'action d'inclusions; la dureté, la résistance à l'usure, les pro- priétés tribotechniques du matériau sont déterminées par les propriétés des inclusions; le module d'élasticité, le coefficient de dila- tation linéaire, le poids spécifique (densité) du matériau sont déterminés par un ensemble de propriétés de la matrice et des inclusions. C'est pourquoi, le développement de nouveaux ma- tériaux métalliques avec une combinaison prédéterminée des caractéristiques d'usinabilité et de services doit pouvoir être obtenu en théorie sur la base du choix de la composi- tion optimale du système métallique dans chaque cas, c'est- à-dire de la sélection de la matrice et des inclusions, dont les propriétés et l'interaction déterminent les pro- priétés du système composite dans son ensemble. La sélection de la base (matrice) du système mé- tallique est déterminée par des propriétés requises de ser- vice du matériau et par le niveau de ses propriétés (acier, aluminium, cuivre, magnésium, nickel, etc). La difficulté principale de mise en oeuvre de la technologie permettant de produire des matériaux métal- liques de construction est l'injection de constituants dans la structure sous la forme de particules extrêmement fines de composés stables du point de vue thermodynamique et thermique dans la matrice, et dont la taille est comprise entre quelques nanomètres et quelques microns. Dans la fabrication de matériaux métalliques com- posites naturels (par exemple des alliages complexes), le problème est résolu au moyen de la précipitation de parti- cules (intermétalloides) à partir de solutions solides sur- saturées des constituants de l'alliage dans le métal de base, ceci étant produit au moyen de l'utilisation d'un re- froidissement à vitesse élevée de masses fondues homogènes. La vitesse de refroidissement requise peut être obtenue pratiquement uniquement dans le cas de quantités relative- ment faibles d'alliages fondus Dans la pratique, un degré élevé de refroidissement est obtenu au moyen d'une disper- sion physique de la masse fondue suivie par un refroidisse- ment de fines gouttes de la masse fondue dans un milieu de refroidissement Ceci requiert des opérations onéreuses de séchage, de dégazage et de tassement des particules (granu- lés) pour obtenir des pastilles C'est pourquoi, la techno- logie de fabrication de nouveaux alliages métalliques au moyen de la technique de pastillage n'a pas été très utili- sée dans l'industrie. La difficulté d'introduire des particules extrê- mement fines dans des masses fondues métalliques a deux causes Tout d'abord, en raison de l'absence de fluidité des particules extrêmement fines (d'une taille du millième de micron ou moins), le dosage des particules lors de leur injection dans la masse fondue est assez difficile ou même quelquefois impossible En second lieu, en raison de la présence d'oxygène adsorbé sur la surface des particules lors de leur venue en contact avec la masse fondue, les oxydes du métal de base se forment sur la surface, ce qui empêche le mouillage des particules par la masse fondue Ce problème se manifeste notamment pendant l'injection des particules dans les masses fondues de métaux ayant une ré- activité élevée avec l'oxygène (aluminium, magnésium, etc) Le facteur indiqué précédemment empêche également la mise en oeuvre de techniques telles que la modification di- recte des alliages par injection de particules -noyaux de cristallisation dans la masse fondue, alliage des masses fondues par injection de composants d'alliages sous la forme d'une poudre, utilisation de déchets à l'état de poudre de matériaux d'alliages (par exemple silicium) dans la fabrication d'alliages, en particulier ceux du système aluminium-silicium. Une des caractéristiques les plus importantes de la technologie proposée et des dispositifs pour sa mise en oeuvre est la possibilité d'injecter dans la masse fondue de fines particules des matériaux de charge (dans le cas de la fabrication de produits composites) ou de composants structurels (dans le cas de la fabrication d'alliages), moyennant la formation de la structure d'alliage conformé- ment au schéma illustré sur la figure 3, annexée à la pré- sente demande. On injecte des particules d'un matériau de charge désiré dans la matrice exempte des atomes du constituant (figure 3 a annexée à la présente demande) Lorsqu'il existe, dans le système, un équilibre entre le constituant structurel (Ax Py) et la solution du composant d'alliage P dans la matrice A, les particules incorporées dans la ma- trice se dissolvent à la concentration de saturation à la température appropriée avec réduction de leurs dimensions, ce processus pouvant être hautement contrôlé et permettant la fabrication d'alliages ayant une structure avec alliage avec un constituant prédéterminé ayant une solubilité limi- tée. Les étapes principales d'un procédé pour la fa- brication de matériaux composites moulés considérés sont décrites dans "Solidification, Structures and Properties of Cast Metal-Ceramic Particle Composites" Rohatgi P K, As- thana R;, Das S Inst Metal Rev, 1986 Vol 31, N 3 pp 15-139 et incluent: production de la masse fondue de base; répartition uniforme des particules solides dans une masse de métal fondu; cristallisation du matériau composite résul- tant. On a utilisé les procédés indiqués ci-après, dans l'art antérieur, pour injecter des particules extrêmement fines dans une masse fondue comme cela est décrit dans "Cast Aluminium-Graphite Particle Composites a Potential Engineering Material" Rohatgi P K, Das S, Dan T K - J Inst Eng, Mars 1989 Vol 67, N 2 pp 77-83: agitation mécanique de la masse fondue et des particules ajoutées; pressage des pastilles mélangées à des métaux formant matrice à l'état de poudre et avec des particules de renforcement, suivi d'une insertion des particules dans la masse fondue et d'une agitation mécanique de cette der- nière; dispersion des particules dans la masse fondue au moyen d'une irradiation avec des ultrasons. Les problèmes, que l'on rencontre dans la fabri- cation de produits composites métalliques moulés, concer- nent l'absence de mouillabilité ou une faible mouillabilité des particules de charge de renforcement avec la masse fon- due constituant la matrice, ainsi que la non-uniformité du matériau moulé en raison de différences importantes de den- sité entre la matrice et le matériau de charge. L'accroissement de la résistance mécanique de la liaison entre les particules de charge de renforcement et la matrice du métal de base est obtenu au moyen d'un cer- tain nombre de techniques comme cela est décrit dans "Weta- bility of Graphite to Liquid Aluminium and the Effect of alloying Elements on It", Choh Takao, Kemmel Roland, Oki Takeo Z Metallklunde" 1987 Vol 78, N 4 pp 286- 290, c'est-à-dire: application de revêtement, mouillable par un métal, sur la surface des particules de charge de renforce- ment; introduction d'agents tensio-actifs dans la masse fondue du métal de base; accroissement de la température de la masse fondue. On connaît également un procédé pour fabriquer des produits composites (demande de brevet N 51-141960 dé- posée au Japon en date du 08 04 80 (NO 55-45955), publiée le 5.11 81), selon lequel on suggère d'utiliser comme charge, des billes microscopiques naturelles creuses d'un diamètre de 150 microns, suffisamment compatibles avec différents matériaux métalliques, ainsi que des poudres de graphite, du Ti B 2, du nitrure et de l'oxyde d'aluminium, du graphite lamellaire et à l'état de copeaux et du calcium métallique, qui sont ajoutés dans la masse fondue en une quantité com- prise entre 0,05 et 5 % en poids afin de garantir une uni- formité des matériaux. L'inconvénient principal de ce procédé réside dans la nécessité d'introduire dans la masse fondue un élé- ment (calcium), qui est soluble dans le métal de base li- quide, mais pratiquement insoluble dans le cas d'une ma- trice solide et qui forme un composant eutectique cassant avec la matrice Ceci conduit à une altération des proprié- tés mécaniques de la matrice et du produit composite lui- même En outre, l'utilisation, en tant que charge, de billes microscopiques creuses ayant les tailles indiquées ( 150 microns) ne contribuent pas à améliorer les valeurs absolues des propriétés mécaniques et peut conduire unique- ment à une certaine amélioration de leurs valeurs relatives par unité de masse. L'art antérieur relatif à la présente invention est le procédé de fabrication de matériaux composites (Met. Trans, 1978, v 9 N 3, pp 383-388) qui utilise les métaux de base fondu Mg Al, Fe, Ni, Cr, Co dopés par des parti- cules d'oxyde insoluble (A 1203, Be O, Ca O, Ce O 2, Ti O 2, Mg O, Th O 2, VO 2, Zr O 2), des carbures, des borures, des nitrures de Nb, Ta, Hf, Ti, Zr ayant des tailles comprises entre 0,01 et 10 microns Les particules sont injectées sous la forme de poudre ou de fibres minces Pour garantir la dis- tribution uniforme des particules dans la masse fondue, on les injecte dans un courant de gaz inerte préalablement chauffé (Ar,He) tout en agitant vigoureusement le métal de base Le pourcentage en volume des particules peut être compris entre 0,5 et 1 % De même, l'un des éléments qui améliorent l'activité de surface au niveau de l'interface particule-masse fondue, est injecté dans le métal fondu. L'injection de tels métaux tensio-actifs (Mg, Si, Ti, Zr, V, Nb) garantit la formation d'un enveloppement, apte à être mouillé par le métal, sur les oxydes, ce qui améliore grandement la mouillabilité dans le système et fait qu'il n'existe aucune ségrégation dans la masse fondue pendant une période de 30 minutes. Le procédé indiqué précédemment présente les in- convénients suivants: 1) la composition chimique de la masse fondue de la matrice est limitée par la nécessité d'injecter des mé- taux tensio-actifs, qui, dans un certain nombre de cas, peuvent conduire à une perturbation des propriétés techno- logiques et mécaniques du matériau composite résultant; 2) l'absence d'agitation au cours de la solidifi- cation favorise, en particulier dans le cas d'un long temps de solidification, la formation de zones ségrégées et stra- tifiées, et par conséquent la qualité du matériau composite résultant s'en trouve réduite; 3) l'insolubilité des particules de renforcement exclut la possibilité d'utiliser ce procédé pour fabriquer des matériaux, dont la matrice soit renforcée avec des par- ticules extrêmement fines de ces éléments ou de leurs com- posés, qui sont des agents traditionnels de renforcement dans la fabrication de matériaux, en raison de la cristal- lisation des joints du métal de base avec des additifs d'alliage et un travail thermomécanique ultérieur. Un but de la présente invention consiste à amé- liorer la qualité des matériaux composites au moyen d'un accroissement de l'uniformité de la dispersion des parti- cules de charge de renforcement et la solidité de leur ad- hérence à la matrice formée du métal de base, et l'aptitude à produire un groupe expansé du matériau composite grâce à l'utilisation d'une gamme étendue de particules céramiques, de métaux et de produits intermétalliques incluant des car- bures, des nitrures, des borures, des oxydes, du graphite et des verres. Le but indiqué précédemment et d'autres buts sont atteints grâce au procédé pour fabriquer des matériaux com- posites, caractérisé en ce qu'il inclut les étapes consis- tant à entraîner des particules d'additifs solides finement divisés, par exemple d'une céramique, d'un métal, d'un pro- duit intermétallique incluant des oxydes, des borures, des carbures, des nitrures, du graphite, des verres dans un gaz inerte et ioniser le gaz inerte d'entraînement pour chauf- fer les particules solides à une température élevée infé- rieure à la température à laquelle les particules devien- nent non solides en raison d'une fusion, d'une sublimation ou d'une dissociation, mais supérieure à environ la demi- valeur d'une telle température, et injecter un courant du gaz d'entraînement ionisé et des particules solides chauf- fées et entraînées, dans une masse de métal fondu, tout en maintenant un mouvement d'agitation dans la masse du métal fondu, suffisant pour favoriser et maintenir la dispersion des particules ajoutées pour qu'elles se solidifient sous la forme d'une masse composite, tout en maintenant un mou- vement d'agitation dans le métal fondu contenant des parti- cules solides, jusqu'à ce que sa solidification soit com- piète. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: les figures 1, 4 et 5 représentent des disposi- tifs pour la mise en oeuvre de différentes formes de réali- sation de l'invention; et la figure 2 ( 2 a,b,c,d) et la figure 3 ( 3 a, b, c,d), dont il a déjà été fait mention, représentent des conditions métallurgiques apparaissant au cours de la for- mation d'un alliage. Dans la mise en oeuvre de la présente invention, la masse fondue du métal de base peut être de l'aluminium, du fer, du cuivre, du magnésium, du nickel, du cobalt, du chrome Des métaux de base appropriés sont des alliages des métaux mentionnés précédemment, dans lesquels ils forment l'élément constitutif prépondérant, comme par exemple de l'aluminium contenant jusqu'à 40 % en poids de manganèse, et des aciers, et des matériaux tels que la fonte et la fonte modulaire De même il convient d'utiliser comme mé- taux de base, le cuivre, le nickel, le titane et des al- liages de ces métaux. Les particules d'addition formées par la charge de renforcement sont très fines et possèdent une taille moyenne comprise entre 1 et 100 microns Les particules peuvent être des particules de métaux et ne forment pas de composés chimiques avec les éléments de la matrice, comme par exemple Si dans Al; des produits intermétalliques tels que: Ti A 13, Zr A 13, Fe Ai 3, Fe 2 Al 5, Cr A 17, Cr A 13, Ni Ai 3, Co 2 A 19, Sc A 13; des carbures tels que: Si C, Ti C, WC, Nb C, Fe 3 C; des nitrures tels que Ti N, Si 3 N 4, Zr N; des borures tels que Ti B 2, Al B 2; des oxydes tels que: Zr O 2, A 1203, Ti C 2, B 203; et également d'autres matériaux céramiques tels que le saphir, des verres, du graphite et des carboni- trures On peut utiliser d'autres matériaux particulaires utilisés pour renforcer la dispersion de métaux pourvu qu'ils conservent une stabilité thermodynamique satisfai- sante au cours des étapes du présent procédé. Les gaz inertes d'entraînement utilisés dans le cadre de la présente invention sont de préférence de l'argon ou de l'hélium, bien qu'on puisse utiliser d'autres gaz inertes Le gaz inerte est ionisé et les particules en- traînées sont préalablement chauffées dans le gaz ionisé avant d'être injectées dans la masse fondue, à une tempéra- ture élevée inférieure à celle à laquelle les particules fondent ou se subliment ou se dissocient, c'est-à-dire à une valeur égale à environ 0, 9 fois le point de fusion, la température de sublimation ou la température de dissocia- tion, selon le cas A une température supérieure, les par- ticules s'agglomèrent pour produire des particules d'une taille désirable dans la masse fondue ou bien deviennent des particules d'une composition autre que celle recherchée ou bien il se produit une réduction substantielle de la quantité désirée de particules dans la masse fondue Pour des températures des particules inférieures à environ 0,5 fois le point de fusion (la température de sublimation ou la température de dissociation), il n'apparaît, dans le produit composite résultant, aucun accroissement de la ré- sistance mécanique, de la dureté et de l'uniformité struc- turelle, de l'uniformité des particules dispersées et de l'homogénéité. La gamme de températures pour le chauffage préa- lable des particules a été déterminée expérimentalement sur la base de l'exigence de l'obtention d'un degré nécessaire et suffisant d'activation pour une action entre phase ga- rantissant une liaison solide entre les particules et le métal de base, en raison du retrait de l'oxygène adsorbé à partir de la surface des particules, au cours d'une corro- sion ionique et d'une rupture dans les particules dans le courant de base de la surface du métal fondu. La détermination de la gamme appropriée de tempé- ratures applicable à un matériau particulaires particulier peut être déterminée à partir des données de température publiées dans des manuels ou analogues, et de l'utilisation de dispositifs pyrométriques par exemple commercialisés par Agema avec une précision de 10 C Cependant, il est fré- quemment plus approprié, en particulier lorsqu'on utilise des particules par exemple de produits intermétalliques ou autres et lorsque les données publiées ne sont pas dispo- nibles de façon adéquate, d'établir des conditions de base. Par exemple, avant de fabriquer les produits composites, on exécute un cycle d'essai avec le dispositif d'ionisation du gaz devant être utilisé pour l'étape de chauffage préa- lable, pour un chargement particulier des particules, et le courant de gaz, et le temps de séjour des particules dans le gaz ionisé est accru à la valeur précisément requise pour faire fondre (volatiliser ou dissocier) la particule, on observe la particule et on réduit ensuite légèrement le temps de séjour pour éviter une fusion etc Ces conditions de traitement fournissent alors la température égale à 0,9 fois le point de fusion Pour un temps de séjour égal à en- viron à la moitié du temps de séjour, pour lequel la fusion de la particule se produit, correspond à 0,5 fois le point de fusion On peut déterminer de façon similaire les inter- valles empiriques en réglant le courant de gaz et le char- gement de particules dans le gaz sur la base de concepts fondamentaux bien connus dans la technique. * Un choix de matériaux particulaires particulière- ment efficaces, destinés à être utilisés dans la présente invention, est recensé dans le tableau A indiqué ci-après, avec les gammes de températures et on a également indiqué des compositions de métaux de base prises à titre d'exemples. TABLEAU A Particule Taille des Additif, Masse fondue (composition) particules gamme de tem de base microns pératures C Si C 5-50 1100-2000 Al, Alliages de Ai A 1-4 %Cu-1,5 %Mg 0, 5 %Mn, Fe Ti A 13 1-10 670-1200 Al, Alliages de Al Al-4 %Cu-1,5 % Mg Ti B 2 5-10 1400-2500 Al,alliages de base de Al Si 3 N 4 1-5 950-1710 Cu,Ni Graphite 5-50 1800-3240 Al-12 % Si Conformément à la présente invention, on peut in- corporer environ 0,5 % en poids et jusqu'à environ 25 % en poids d'un matériau de charge dans un bain de métal de base fondu et dans le matériau particulaire, et on détermine la quantité ajoutée sur la base de concepts connus dans la technique pour obtenir une amélioration ou une combinaison particulière des propriétés mécaniques, par exemple la du- reté, la résistance mécanique, la ductilité, l'élasticité. Le tableau B reproduit ci-après indique des contenus en particules à titre d'exemples et des matériaux de base et fournit une indication des propriétés mécaniques améliorées. TABLEAU B Particule Quantité Métal de Propriété (composition) % en poids base(com améliorée position) 1 Sic 10 Al Rm= 200 M Pa,E= 120 KN MM 2 K 1 ___ = 9 K 2 2 Zr Al 3 +Cr A 13 1 + 1 Al Ro 2 = 0,99 Rm Ti A 13 15 Al Si = 300 s 3 avec Rm résistance temporaire à la traction RO,2 limite apparente d'élasticité, E module d'élasticité, K coefficient d'usure linéaire, S densité spécifique des particules dans la matrice, 1,2,3 indices applicables à un matériau composite à base d'aluminium, aluminium et Al-10 % Ti. Dans la mise en oeuvre pratique de la présente invention, il est important que le métal de base fondu soit agit physiquement, par exemple en étant soumis en continu à une force d'agitation dès le début de l'introduction des particules solides, jusqu'à ce que le moulage et la solidi- fication du métal coulé soient complets Initialement, la masse fondue de base est agitée physiquement, c'est-à-dire qu'elle est située dans un récipient du type creuset et qu'une force d'agitation est appliquée de façon appropriée de préférence au bain du métal de base à l'aide de moyens magnétiques sans contact, comme cela est connu dans la technique A ce stade du processus, on peut également mettre en oeuvre une agitation mécanique utilisant des ro- tors de type connu Le degré d'agitation doit être suffi- samment intense, c'est-à-dire qu'on doit avoir une rotation continue observable du bain, pour garantir une dispersion uniforme des particules d'additif, et on peut prélever des échantillons d'essai à des intervalles pour déterminer cette dispersion Lorsque la masse fondue du métal de base contenant les particules est prête pour être moulée, on transfère le matériau directement dans un moule approprié et on maintient l'agitation physique du matériau fondu dans le moule, de façon appropriée au moyen de vibrations, par exemple au moyen d'une énergie ultrasonore appliquée à l'extérieur du moule et provoquant des vibrations dans le métal fondu jusqu'à ce que la totalité du métal dans le moule se soit solidifiée L'application d'ultrasons pour obtenir une agitation physique doit être suffisamment in- tense pour maintenir l'uniformité obtenue dans le creuset, mais ne doit pas conduire à un déplacement visible impor- tant de la masse de métal fondu. Dans la mise en oeuvre pratique de la présente invention, on injecte le courant de gaz inerte ionisé, dans lequel sont entraînées des particules solides, dans le bain du métal de base, de sorte que les particules solides pénè- trent dans le bain à une profondeur d'au moins 5 cm, par exemple sur environ 10 % de la profondeur du bain. L'agitation continue au cours du changement de volume de la phase liquide de 100 % à O %, c'est-à-dire la solification complète, est une condition préalable de la présente invention pour garantir une distribution uniforme du matériau de renforcement dans le volume de la matrice, qui est permis par les étapes précédentes du processus, et une amélioration de la mouillabilité au niveau de l'interface "particule-masse fondue" L'absence d'agitation à un stade quelconque de l'état liquide-solide du matériau composite peut conduire à un affaiblissement du contact su- perficiel entre la matrice du métal de base et les parti- cules, et à la formation indésirable de stratifications, de ségrégations et d'hétérogénéités de la composition chimique et structurelle. La stabilité thermodynamique des particules dans la masse fondue de la matrice empêche leur action chimique avec le métal de base et la formation de composés indési- rables ayant des tailles et formes incontrôlées, ce qui ga- rantit, contrairement à la technologie de l'art antérieur, la formation d'alliages renforcés par des particules extrê- mement fines, grâce à la fusion du métal de base, suivie par la combinaison d'une cristallisation et d'un traitement thermique, et la fabrication de matériaux composites du type "métal-phase intermétallique (métal)", dans lesquels la quantité, les tailles et les formes des phases de renforcement ont des valeurs préréglées. En référence à la figure 1, un creuset 10 réalisé de façon appropriée en graphite contient un bain de métal fondu 1 formé du métal de la matrice, par exemple de l'aluminium, qui est agité au moyen d'un inducteur magné- tique classique 4 servant à agiter physiquement le bain mé- tallique 1, de préférence dans le mouvement de rotation in- tense illustré sur la figure 1 Le creuset 10 comporte un couvercle protecteur 15, dans lequel est installée une chambre d'ionisation 2 ayant une longueur accrue Le gaz inerte, par exemple de l'argon, est introduit d'une manière pouvant être commandée à partir de canalisations 8 dans une chambre d'ionisation 2, et le gaz est ionisé de manière à produire un arc de plasma selon des techniques connues, et il apparaît, dans la chambre d'ionisation 2, des tempéra- tures très élevées comprises entre 8000 C et 20 000 C Un matériau de charge finement divisé est retenu dans la tré- mie 3 avec des moyens de dosage (non représentés) servant à mesurer le poids du matériau de charge finement divisé, qui est introduit par l'intermédiaire du conduit 16 dans la chambre d'ionisation 2 Les particules de charge pénétrant dans la chambre d'ionisation 2 sont rapidement chauffées à une température élevée inférieure à celle à laquelle se produit la fusion des particules, par exemple entre 0,5 et 0,9 fois la température du point de fusion des particules. Les particules ainsi chauffées et activées, qui sont en- traînées dans un courant de gaz inerte ionisé 25, sont in- troduites dans le bain fondu 1 par l'injection du gaz inerte et sa pénétration au-dessous de la surface du bain métallique L'agitation physique continue du bain métal- lique 1 par l'inducteur magnétique 4 établit une dispersion uniforme des particules de la charge solide activée et chauffée La température du bain métallique est mesurée par exemple au moyen de thermocouples (non représentés), ce qui permet de s'assurer que la température est inférieure à celle à laquelle il se produit une fusion ou décomposition indésirable des particules de charge L'uniformité de la dispersion des particules de charge dans le bain est éta- blie au moyen de l'analyse d'échantillons prélevés du bain à des intervalles appropriés Lorsque la quantité désirée prédéterminée des particules de charge solides a été intro- duite dans le bain de métal fondu, on ouvre le bouchon 5 situé à la base du creuset 10, et le métal fondu contenant les particules solides d'additifs O est introduit dans le moule 6, réalisé de façon appropriée par exemple en acier. Le métal fondu est amené à se solidifier dans le moule et entoure les particules solides de charge uniformément dispersées Pour être certain que les particules solides de charge restent uniformément dispersées dans la phase de métal fondu au cours de la progression de la solification, un transducteur à ultrasons 7 est accouplé au moule 5 de sorte que le métal fondu situé dans le moule est agité physiquement par des vibrations ultrasonores jusqu'à ce que la totalité de la phase fondue soit passée à l'état solide. La figure 4 (a) représente le creuset de la figure 1 équipé d'un conduit 20 destiné à introduire un agent ré- actif dans la chambre d'ionisation 2 ' avec une vitesse ac- crue du gaz ionisé indiqué en 25 de manière à avoir une pé- nétration plus profonde de l'additif dans le bain métal- lique La figure 4 (B) représente le creuset de la figure 4 (A), dans lequel le gaz ionisé et l'additif sont intro- duits à la partie inférieure du creuset Le gaz inerte forme des bulles 30 qui éclatent et sont dispersées sous l'action d'un transducteur à ultrasons 12 en contact avec la partie supérieure du bain métallique au niveau de sa surface. La figure 5 représente le creuset de la figure 4 (B) équipé du transducteur à ultrasons 12, l'injection du gaz ionisé 25 étant décalée par rapport à l'alignement cen- tral de la figure 4 (B) de manière à obtenir le mouvement hélicoïdal ascendant représenté des bulles 30 contenant des particules. EXEMPLE Pour tester le procédé selon l'invention, on a utilisé des métaux non alliés, l'aluminium et le fer, ainsi qu'un alliage à base d'aluminium, à savoir 4 % Cu, 1,5 % Mg, 0,5 % Mn également connu sous la dénomination D 16 On a uti- lisé ces matériaux séparément en tant que masse fondue de base pour produire différents matériaux composites Les ma- tériaux de-renforcement utilisés au départ étaient du car- bure de silicium en poudre, taille 5-50 microns, de l'alu- miniure de titane Ti A 13 avec des particules d'une taille de 1-10 microns, et également de la poudre de titane avec des particules d'une taille de 10-100 microns. On a exécuté des essais pour produire un matériau composite dans l'unité pilote représentée schématiquement sur la figure 1 Le creuset était réalisé en graphite et contenait une masse fondue 1 formant matrice, qui était in- jectée avec un courant de gaz argon ionisé qui entraînait des particules de renforcement préalablement chauffées à une température prédéterminée à l'aide d'un dispositif classique d'ionisation du type plasmatron 2 équipé du dis- positif de fusion 3 pour obtenir un débit prédéterminé de circulation de la poudre dans le dispositif d'ionisation. On a modifié la température des particules Tp et on l'a contrôlée en détectant la variation du contenu net de la masse fondue de base avant et après l'injection de parti- cules de poudre On a calculé Tp conformément à la for- mule: Cm Mm Tm ( 1 + KN) Tp = ( 1 à avec Cp Mp e 0 température de la masse fondue après injection des additifs, 'C; Tm température de la matrice avant l'injection des addi- tifs, OC. Cm valeur spécifique du métal formant la matrice, Mm masse métallique, Kg, C chaleur spécifique des particules, Mm Masse des particules, kg, Kn facteur sans dimension prenant en compte des effets thermiques lors du refroidissement par air de la sur- face de la masse fondue pendant le réchauffage lors du traitement par un courant de gaz ionisé sans in- jection de particules, Kn = 0,05-0,06 pour 5 kg de métal fondu et un débit de gaz argon ionisé de 0,1 m 3/mn. On a réalisé l'agitation du mélange au cours du moulage avec injection d'additifs au moyen de l'inducteur magnétique 4 Après injection de quantités prédéterminées d'additifs solides, on a retiré le bouchon ( 5) du creuset et on a introduit le mélange liquide-solide dans le trou au niveau de la partie inférieure du creuset pour remplir un moule réalisé en acier On a utilisé le moule en acier ( 6) possédant un diamètree de 50 mm et on a agité le mélange métal fondu-particules solides en utilisant un générateur à ultrasons 7 jusqu'à ce que le contenu du moule soit solidifié On a extrudé à chaud la masse moulée solide obtenue de 2,5 kg On a déterminé le contrôle de qualité du matériau composite résultant sur la base de paramètres suivants uniformité chimique et structurelle, taille des particules de renforcement, résistance mécanique du matériau composite. On a évalué l'hétérogénéité chimique du matériau composite en modifiant la teneur en constituants formés des particules de renforcement dans différentes sections trans- versales de la pièce moulée, en travers de la direction de coulée, au moyen de la détermination du facteur d'hétérogénéité chimique K Cmax Cmin Kc = 1 n 1 Ck n k= 1 avec Ck teneur en constituants formés des particules de renforcement dans la section transversale de la pièce moulée, % en poids n nombre de sections transversales analysées; Cmax, Cmin teneurs maximale et minimale des constituants formés des particules de renforcement dans les sections transversales, % en poids. On a déterminé l'hétérogénéité structurelle du matériau composite en modifiant les tailles moyennes des particules de renforcement, à l'aide du facteur Kave Kav = -max din 1 n X di n i= 1 avec di taille moyenne de la i-ème particule, en mi- crons; dmaxi dmin tailles maximale et minimale des particules analysées, n nombre des particules analysées. On a déterminé la résistance mécanique en mesu- rant la résistance à la traction Rm, en M Pa (UTS) On a déterminé la composition chimique à l'aide du dispositif de mesure quantimétrique ARL 72000, possédant une précision de + 0,01 %; on a déterminé les caractéristiques structurelles au moyen du microscope optique métallographique Me F-3 A avec des grossissements atteignant jusqu'à 3000 X, et avec l'analyseur structurel Omnimet 2 pour la détermination quantitative des éléments contenus dans la structure La détermination de la résistance mécanique a été effectuée par la machine de mise en traction UTS-100 avec une force appliquée maximale de 100 k N L'ensemble de l'appareillage précédent fait partie de l'état de la technique Le tableau 1, reproduit à la fin de la description, indique les résul- tats des essais. Les données obtenues prouvent que les meilleures caractéristiques sont garanties par les échantillons de ma- tériaux composites fabriqués lors des expériences N 06, 9, 12, 36, 42, 51, 57, 66, 69, 72 conformément au procédé se- lon la présente invention pour fabriquer les matériaux com- posites à base métallique. Dans un autre mode de mise en oeuvre de la pré- sente invention, le matériau de charge pour fabriquer un matériau composite est synthétisé dans l'environnement d'un gaz d'entraînement ionisé et les matériaux naissants ainsi obtenus, protégés par le gaz ionisé de nettoyage, sont in- troduits dans la masse fondue du métal de base, qui est agité physiquement, par exemple au moyen de techniques ma- gnétiques ou de techniques à ultrasons de manière à répar- tir uniformément le matériau synthétisé dans la matrice du métal de base Les matériaux de charge sont synthétisés par l'introduction de quantités sensiblement stéchiométriques des réactifs servant à produire le matériau de charge Par exemple, lors de la fabrication du matériau de charge à base de nitrure de titane, de la poudre de titane possédant des tailles appropriées comprises entre 20 et 50 microns, est entraînée dans du gaz azote dans des proportions cor- respondant à l'équation: 2 Ti + N 2 > 2 Ti N Le mélange titane/azote est introduit dans un écoulement de gaz inerte ionisé et est exposé au gaz ionisé à une température située dans la gamme comprise entre 2200 et 30000 C pendant un intervalle de temps suffisant pour que la réaction soit complète entre le titane et l'azote afin de former du nitrure de titane à l'état de vapeur, qui est entraîné par le gaz inerte ionisé sur la surface de la masse fondue du métal de base, par exemple de l'aluminium, et est agité physiquement de manière à disperser uniformé- ment le niveau de titane dans de petits volumes discrets qui, lors de la solidification dans le métal de base, four- nissent des particules de charge de renforcement extrême- ment fines Les autres matériaux de charge peuvent être synthétisés de façon similaire de la manière suivante 3 Si (poudre) + 2 N 2 >Si 3 N 4 Ti (poudre) + 3 Al (poudre) >Ti Al 3 La température de la masse fondue du métal de base est maintenue à une valeur qui provoque la trempe des matériaux additifs de sorte que le matériau additif synthé- tisé n'est pas dissocié, d'une manière indésirable, dans la masse fondue. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, un gaz contenant du carbone, tel que les hy- drocarbures, le propane, le gaz naturel butane, le méthane ou le monoxyde de carbone et le gaz carbonique sont ionisés dans le mélange avec un courant de gaz inerte ionisé et sont dissociés Le produit de dissociation du carbone est le carbone élémentaire mono-atomique, qui est injecté dans la masse fondue de base en tant que charge additive Pour les gaz contenant de l'oxygène, l'oxygène mono-atomique li- béré est un courant de gaz ionisé qui réagit avec la masse fondue, par exemple formée d'aluminium, pour former des particules de charge extrêmement fines d'oxyde d'aluminium A 1203 dans la masse fondue. Après la mise en oeuvre pratique de la présente invention dans les conditions du tableau 2 et moyennant l'utilisation des matériaux de ce tableau 2, on a introduit les additifs indiqués dans la matrice de métal fondu de base indiquée pour obtenir des matériaux composites ayant des propriétés mécaniques améliorées. REVENDICATIONS 1 Procédé pour fabriquer un matériau composite, caractérisé en ce qu'il consiste à entraîner des particules d'un additif solide finement divisé, dans un courant de gaz inerte ionisé et à ioniser le gaz inerte et utiliser la chaleur produite par le gaz ionisé pour chauffer les parti- cules solides à une température élevée inférieure à la tem- pérature à laquelle les particules solides deviennent non solides sous l'effet d'une fusion, d'une sublimation ou d'une dissociation, mais supérieure à environ la demi- valeur d'une telle température de fusion, de sublimation ou de dissociation, et à injecter ledit courant de gaz et les particules solides chauffées entraînées, dans une masse de métal fondu pour obtenir un mélange des particules solides finement divisées et du métal fondu, puis produire une agi- tation physique du mélange du métal fondu et des particules solides pour obtenir une distribution sensiblement uniforme des particules solides dans le métal fondu, et poursuivre l'agitation physique du métal fondu jusqu'à ce que le mé- lange des particules finement divisées et du métal soit complètement solidifié. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange du métal fondu et des particules so- lides est contenu initialement dans un creuset ( 10) et que l'agitation est réalisée à l'aide de moyens magnétiques ( 4) situés à l'extérieur du creuset, et qu'ultérieurement une partie dudit mélange est transférée dans un moule ( 6) et qu'une agitation du mélange est produite par des moyens à ultrasons ( 7), situés à l'extérieur du moule. 3 Procédé pour fabriquer un matériau composite, caractérisé en ce qu'il consiste à entraîner, dans un cou- rant de gaz inerte ionisé, un réactif solide finement di- visé et/ou un réactif gazeux en des proportions permettant d'obtenir, lors de la réaction, une composition prédétermi- née, provoquer une réaction entre lesdits produits réactifs alors qu'ils sont entraînés dans ledit gaz inerte ionisé pour obtenir un produit de réaction destiné à être intro- duit dans un bain de métal fondu ( 1), et provoquer une agitation physique dudit bain de métal pour disperser uniformément ledit produit de réaction dans ce bain. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal de base est choisi parmi l'aluminium, le fer, le magnésium, le cuivre, le nickel, le chrome, le titane et que ledit matériau additif est sélectionné parmi des composés chimiques, comprenant deux ou un plus grand nombre de composés, de l'un des métaux de base avec d'autres métaux, ainsi que parmi des carbures, des nitrures, des carbonitrures, des oxydes et des borures de métaux. 5 Matériau ou alliage composite contenant des composants uniformément répartis, caractérisé en ce qu'il est formé moyennant l'injection de particules additives qui ont été chauffées par un gaz ionisé, dans un métal de base fondu agité physiquement, le matériau obtenu étant retiré en continu de la zone d'injection, avec un refroidissement ultérieur tout en maintenant continûment l'agitation phy- sique. 6 Matériau ou alliage composite selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que ledit métal de base est choisi parmi l'aluminium, le fer, le magnésium, le cuivre, le nickel, le chrome, le titane et que ledit matériau addi- tif est sélectionné parmi des composés chimiques, compre- nant deux ou un plus grand nombre de composés des métaux de base avec d'autres métaux, ainsi que parmi des carbures, des nitrures, des carbonitrures, des oxydes et des borures de métaux. 7 Dispositif pour fabriquer un matériau compo- site, caractérisé en ce qu'il comprend: (i) des moyens en forme de creuset ( 10) destinés à contenir un métal de base fondu; (ii) des moyens ( 2) de production d'un plasma disposés au voisinage des moyens en forme de creuset ( 10) pour recevoir un courant de gaz inerte et des particules d'une charge entraînées et pour ioniser ledit gaz et chauffer de ce fait lesdites particules; (iii) des moyens ( 2) pour injecter ledit gaz ionisé et les particules chauffées dans lesdits moyens en forme de creuset ( 10) pour qu'ils pénètrent dans le métal fondu lorsque ce dernier est présent dans ledit creuset; (iv) des moyens ( 4) pour agiter continûment le métal fondu lorsqu'il est présent dans ledit creuset; (v) des moyens formant moule ( 6) pour recevoir le métal fondu contenant les particules de charge à partir dudit creuset; et (vi) des moyens ( 7) pour agiter continûment le métal fondu lorsqu'il est présent dans lesdits moyens formant moule. 8 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que ledit creuset ( 10) est recouvert d'un couvercle ( 15) et que les moyens ( 2) servant à injecter le gaz ionisé et les particules chauffées traversent ledit couvercle. 9 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce -que les moyens ( 4) servant à agiter le métal fondu dans le creuset ( 10) sont des moyens magnétiques d'agitation. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les moyens ( 7) servant à agiter le métal fondu dans les moyens formant moule ( 6) sont des moyens en forme de transducteur à ultrasons. 11 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les moyens ( 2) servant à injecter le gaz ionisé et les particules chauffées traversent le fond dudit creuset ( 10). 12 Dispositif selon la revendication 11, carac- térisé en ce que lesdits moyens formant transducteur à ultrasons ( 7) sont prévus au voisinage de la partie supérieure des moyens en forme de creuset ( 10). 13 Dispositif selon la revendication 12, carac- térisé en ce que le transducteur à ultrasons ( 7) et les moyens ( 2) servant à injecter le gaz ionisé et les particules chauffées sont déplacés horizontalement de sorte que le métal fondu situé dans le creuset ( 10) est entraîné en rotation. TABLEAU 1 Résultats des essais tempé- rature de la matrice 0 oe matériau de la matrice tempéra-. ture de matériau réchauf- de ren fage de dorent la poudre forcement modifi compo- cation sition de la du ma- quantité tériau de la phase compo- 11 Fie? W/ site taille moyenne des par- ticules de renforcement microns k c k Rm ave M Pa *NVL 2 7 ua 9 O I 2 3 4 5 6 Ull 10 0.14 O 12 67 ( À AI 11 0 11 mt W # 08 0 10 W w O 09 02 O 08 208 SIC 880 # N w Débit des parti- cules/ Débit du gaz inerte Mn/Mn NO de laa. o. 0. O il Ai-SIC -80 -0 -0 10 -0 -0 -80 -0 -0 -80 -0 -0 -80 -0 -0 O 5 O 6 O 4 a O 4 à 0 5 O 0 1 7 0 4 7 O 5 7 0 08 6 0 4 6 0 5 6 0 07 0 3 1 S 0 4 0 18 0:3 2.2 160 2.2 150 2.2 180 0.8 215 0.8 205 - 0.8 ' 250 0.7 220 0.7 210 0.7 255 0.5 225 220 0.5 260 3 195 4 190 2 200 K, (O 0 o FD L 2 3 4 5 6 7 8 9 10 16 O 15 17 n 18 l 19 0 12 22 0 9 0 6 26 I 27 n 28 0 3 I 31 0 18 32 n 33 n 4 O 15 ' 36 # 0.12 A 1 t n n O 0.11 " n n 0.10 n n n n 0.9 n n fn n n 0.8 I n n n n 0.12 n n n 0.11 n n nf t, n Al-Ti-Ti A 13 n n of Il n n n n IN t, Al-Ti Als e' n t' II i' 0 4 0 5 0 3 0 4 O 5 0 3 0 4 O 5 0 3 0 3 0 4 0 2 0 2 O 3 0 15 7 0 3 7 0 6 7 0 4 4 0 4 4 0 6 4 0 6 n n n ft n n n N n n le n of n n In t n t, % Ti It tf n Il n n n n n n n % Ti A 11 n n n II Il I Il n n n n # n n t I le n ni Ut -95 -0 -0 -95 -0 -0 -95 -0 -0 -95 -0 -0 -95 -0 -0 -85 -0 -0 -85 -0 -0 a 8 0.8 0.6 0.5 N.i o ) FD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 37 0 12 38 n 39 n 0 09 41 n 42 X n 43 0 06 44 n I 46 O 14 47 " 48 I 49 O 11 e , e 52 0 08 53 e 54 " ' 0 05 56 i 57 O# 0.10 A 1 670 15 % Ti A 13 n N n# Il O 'f Il 0.09 Il 'Of 0.08 " N " le I N n 0.12 D 16 660 20 % Si C I* N Il gg go 0.11 et 0.10 'l 0.09 N 9 te U I Il a Ig *l O te O te O n rtg ne Io es el It n Il # n le fi n il te el le te le -85 -OT -0 -85 -0 -0 -85 -0 -0 -80 -0 -0 -80 - 0 -0 -80 -0 -0 -80 -0 -0 A 1-Ti All 3 n 3 n 3 I O 2 n 2 2 2 n 15 " 20 n 10 D 16-si C 20 n 20 " 8 " 8 n 7 O 7 n 7 e 6 " 6 n 6 0.3 0.4 0.05 0.2 0.3 0.05 0.2 0.3 0.1 0.4 0.5 0.3 0.3 0.4 0.09 0.3 0.4 0.07 0.3 0.4 0.05 0.6 0.6 0.6 0. 4 0.4 0.4 0.7 0.7 0.7 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 w CD 0 ') 0 ' 0 ' O 3 w D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.08 D 16 660 Il N n Hs N n 0.12 Fe 1540 n N n n N n 0.11 N n n N n n, N n 0. 10 N Il n N n n n, n #f Il It 0. 09 l u ns N n o, N n 0.08 " e N n II It, % Sic % sic Il ui It et el el il et O f If n n 1100 oo n n n n o' -80 -0 -0 -80 -2 -0 -80 -0 -0 -80 -0 -0 -80 -0 -0 - 80 -0 -0 D 16-sic 15 " 1 15 " 15 Fe-Si C 20 n 20 n 20 n 8 n 8 n 8 n 7 n 7 I' 6 n I 6 # 6 i 15 ' ii 15 0.2 0.3 0.09 0.6 0.7 0.5 0.5 0.6 0.12 0. 4 0.6 0.10 0.3 0.5 0.8 0.4 0.5 0.1 2.5 410 3 400 1.5 420 2.5 620 2.5 600 2.5 650 0.9 690 0.9 680 0.9 790 0.8 710 0.8 700 0.08 800 0.7 720 0.7 700 0.7 810 3.5 610 4 600 2.5 640 69 '. ' 0.02 fi n 0.14 n lu 0.11 n 0.08 It le 0.05 os It l 0.02 n lu et w -à t Oi O' ( O a b TABLEAU 2 débit du gaz ionisé (pieds cubes standards par minute) & température o C quantité d'addition % en poids dispositif fig 4 (B) fig 5 addition A 1 670 5-50 microns 0.02 kg/mh Ti -50 microns 0.04 kg/m. 14000 Ti A 13 14000 Si 3 N 4 2 + À + 1540 Ti -50 micron S 0.04 kg/mn Ti -50 min 0.04 kg/mn co 2 14000 Ti C 0.013 M 3/mn N 2 0.005 M 3/m n 14000 Ti N métal de la ma- trice,kg tempé- rature de la.matrice o C Agent réac- tif Agent réac- tif Ai 4,22 kg Cu 4. 9 kg + Si -50 microns 0.02 kg/mn N 2 + 0.008 M 3/un Fe 4.75 Ai 12 %si 4.9 + 4- w t LO 2 + K, (O