Brevet FR2671105A1 — publié le 19920703

Procédé d'élaboration d'un matériau composite à matrice à base de titane, et matériau composite obtenu par ce procédé L'invention concerne un procédé d'élaboration par métallurgie des poudres d'un matériau composite formé d'une matrice métallique renforcée par des particules de céramique, et un matériau composite obtenu par ce procédé. L'invention s'applique, par exemple, à la réalisation de pièces telles que des raidisseurs de structures, qui nécessitent un module d'élasticité élevé. Si de tels matériaux composites dont la matrice est en alliage d'aluminium sont bien connus, peu de résultats ont été obtenus avec des matrices à base de titane, en raison principalement de la très forte réactivité chimique du titane à haute température envers la plupart des céramiques, entre nant la dissolution partielle, voire totale, des particules. Ces matériaux composites ne peuvent donc être élaborés que par voie solide. I1 a été tenté de réaliser un matériau composite Ti6A14V (matrice)/SiC (renfort) densifié par pressage isostatique à chaud. Cette tentative a échoué, le maintien de plusieurs heures à une température supérieure à 900"C ayant causé une dissolution du renfort. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un matériau composite à matrice à base de titane renforcée par des particules de céramique, en maintenant l'intégrité du renfort, condition essentielle pour que les propriétés mécaniques du matériau composite soient optimales. En outre, il importe, pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques, que le renfort soit réparti de façon uniforme, sans former d'amas, et que le matériau soit pratiquement exempt de poro sités. De bonnes propriétés mécaniques supposent également un volume de renfort représentant au moins 10% du volume du matériau composite. Dans le procédé selon l'invention, on mélange de façon uniforme les particules de céramique à une poudre du matériau de la matrice puis on façonne et on densifie le mélange par filage à une température comprise entre 850 et 9500C, la déformation plastique de la poudre de la matrice lors du filage et l'augmentation de surface qui en résulte permettant à toutes les particules de renfort de venir en contact direct avec la matrice. Le temps de contact à haute température entre le renfort et la matrice est limité à celui du passage dans la filière et à celui du refroidissement, soit quelques secondes environ, ce qui supprime pratiquement l'attaque du renfort dans la gamme de températures considérée. De plus, la déformation plastique de la poudre de la matrice entraîne la formation d'une monocouche des particules de céramique sur celle-ci, supprimant ainsi les amas. L'invention s'applique également aux matériaux composites à matrice à base de nickel, de fer ou d'aluminium, en adaptant la température de filage. Le processus de l'invention suppose, compte tenu de la fraction volumique du renfort, une adéquation entre le rapport de filage, qui détermine quantitativement l'augmentation de surface de la poudre de la matrice, et le rapport de la taille des grains de celle-ci avant déformation à la taille des particules de renfort. Ainsi pour une fraction volumique de renfort donnée (f) le rapport de filage minimal (6) nécessaire pour obtenir une répartition homogène dudit renfort est donné par la relation : Dans cette relation, on désigne par - D la taille des grains de poudre de la matrice - d la taille des particules de renfort - k un coefficient supérieur à 1 dépendant de la morphologie des grains de poudre de la matrice. Le coefficient k est voisin de 2 pour des grains de forme anguleuse et supérieur à 2 pour des grains de poudre de forme sphérique. Ainsi, pour une fraction volumique de 10% de particules de renfort de 3 zm dans une matrice constituée de grains de forme irrégulière d'une taille de 70 pm on devra utiliser un rapport de filage minimal de l'ordre de 18. Ce dernier rapport peut être égal à 18 environ lorsqu'on effectue une opération de filage avec de la poudre et des particules de renfort dont le rapport des tailles respectives ne dépasse pas 23. Le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux lorsque le matériau céramique de renfort est choisi parmi SiC, TiC, TiB2 et B4C. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un matériau composite pratiquement exempt d'amas de particules de renfort et pratiquement exempt de pores. D'autres caractéristiques et avantages de 1 invention ressortiront de la description détaillée ci-après d'exemples de réalisation, et de la figure unique annexée qui représente une coupe micrographique d'un matériau composite selon l'invention. Deux types de poudre d'alliage Ti6Al4V ont été utilisés pour la réalisation de matériaux composites renforcés par des particules de carbure de silicium, à savoir une poudre dite REP, obtenue par pulvérisation d'une électrode tournante, formée de grains sphériques d'un diamètre moyen de 145 microns, et une poudre dite HDH produite par hydrogénation, broyage et déshydrogénation, dont les grains ont une forme irrégulière et une taille inférieure à 70 microns. La composition chimique de cette poudre est indiquée dans le tableau 1, qui fait apparaître la contamination en oxygène apportée par le procédé HDH. TABLEAU 1 A1 V Fe O N H poudre 5,97 3,95 0,20 0,144 0,004 0,007 REP poudre HDH 6,05 4,04 - 0,390 0,045 0,014 Chacune de ces deux poudres a été mélangée à des particules de carbure de silicium d'une taille moyenne de 3 microns. Cette céramique présente une réactivité modérée vis-à-vis du titane à haute température. Pour réaliser un mélange uniforme, on a utilisé un mélangeur du type TURBULA. L'opération a duré cinq heures. On a rempli des gaines en acier doux du mélange obtenu, qu'on a mises sous vide secondaire et scellées. La densification par filage a été réalisée sur une presse de 250 tonnes à des températures comprises entre 850"C et 950"C, en utilisant un rapport de filage égal à 18. Un premier essai a été réalisé en incorporant 20% en volume de SiC à la poudre REP. La température de 850"C, qui convient au filage de la poudre d'alliage Ti6A14V, a été choisie de façon à minimiser l'interaction entre les particules de renfort et la matrice. L'examen microscopique d'une coupe du matériau composite obtenu permet de constater l'existence de larges porosités et la présence d'une fraction volumique de particules de céramique très inférieure à celle contenue dans le mélange initial. Ces deux phénomènes peuvent s'expliquer par le déchaussement d'agrégats de particules de SiC lors de la découpe de l'échantillon et du polissage. Un deuxième essai réalisé avec une température de filage de 950"C a conduit à un volume des porosités pratiquement inchangé, confirmant ainsi le déchaussement des amas de particules et écartant l'hypothèse d'une déformation insuffisante des grains d'alliage par suite d'une température de filage trop basse. Cette constatation a conduit les Inventeurs à l'idée que, pour obtenir un matériau composite de bonne qualité, donc pratiquement exempt d'amas de particules de renfort et exempt de pores, il fallait conduire le processus de densification de façon à former sur les grains de poudre de la matrice une monocouche de particules de renfort, autrement dit à amener toutes ces particules en contact direct avec la matrice. Pour une taille des particules de renfort et une fraction volumique de renfort données, cette condition se traduit par une surface minimale à atteindre par les grains de la matrice au cours de la densification. Les paramètres sur lesquels il faut agir pour obtenir cette surface sont la taille des grains de poudre et le rapport de filage. Compte tenu des observations ci-dessus, on a obtenu d'excellents résultats en utilisant la poudre HDH, qui est la seule poudre fine d'alliage de titane disponible commercialement. On a incorporé à cette poudre 10% en volume de particules de carbure de silicium, et densifié le mélange par filage (rapport de filage 6 = 18) à une température de 850"C dans les conditions décrites ci-dessus. Le matériau composite obtenu est d'une excellente qualité et présente une répartition très homogène des particules (voir figure). La microscopie optique n'a révélé aucun indice de réaction entre renfort et matrice, grâce au temps de contact très court à haute température, environ 30 secondes, soit 103 fois moins que pour le pressage isostatique à chaud. Des essais de traction à 20"C, 3500C et 4500C ont été réalisés sur des éprouvettes usinées d'une part dans la barre filée de matériau composite, d'autre part dans une barre forgée de diamètre 15 millimètres en alliage Ti6A14V, à titre de comparaison. Les résultats sont donnés dans le tableau 2, chaque valeur représentant la moyenne de deux essais. Un gain significatif sur le module élastique E est observé à toutes les températures. En prenant un module égal à 450 GPa pour SiC, on constate, à 20"C par exemple, un excellent accord entre la valeur mesurée pour le matériau composite (144 GPa) et la valeur théorique calculée à partir de la loi des mélanges (141 GPa). L'introduction des particules de renfort entraîne également une augmentation importante de la résistance à chaud Ro,2 et R.En contrepartie la ductilité A est faible. TABLEAU 2 E Ro, 2 R A (GPa) (MPa) (MPa) (%) Ti-6Al-4V forgé 106 951 1058 13,3 200C Ti-6Al-4V + 10 % SiC 144 - 884 0,1 Ti-6Al-4V forgé 85 647 795 11,9 350 C Ti-6A1-4V + 10 % SiC 129 964 980 1,5 Ti-6Al-4V forgé 77 584 699 14 450 C Ti-6Al-4V + 10 % SiC 112 909 934 1,4 Bien entendu, l'alliage Ti6A14V peut être remplacé par d'autres matériaux à base de titane. De même SiC peut être remplacé comme renfort par des composés à haut module élastique tels que TiC, TiB2 ou B4C, plus stables encore vis-à-vis du titane. Revendications 1. Procédé d'élaboration par métallurgie des poudres d'un matériau composite formé d'une matrice métallique à base de titane renforcée par des particules de céramique représentant au moins 10% du volume du matériau composite, caractérisé en ce qu'on mélange de façon uniforme les particules de céramique à une poudre du matériau de la matrice et en ce qu'on façonne et on densifie le mélange par filage à une température comprise entre 850 et 9500C, la déformation plastique de la poudre de la matrice lors du filage et l'augmentation de surface qui en résulte permettant à toutes les particules de renfort de venir en contact direct avec la matrice. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue le filage avec un rapport de filage minimal ô donné D par la relation ## = k f d dans laquelle on désigne par d - f la fraction volumique du renfort - D la taille des grains de poudre de la matrice - d la taille des particules de renfort - k un coefficient supérieur à 1 dépendant de la morphologie des grains de poudre de la matrice. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la taille des grains de la poudre de la matrice à la taille des particules de renfort ne dépasse pas 23 environ, et qu'on effectue une opération de filage avec un rapport de filage de 18 environ. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des particules de renfort est de 3 microns environ. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau céramique de renfort est choisi parmi TiC, TiB2, B4C et SiC. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice est en alliage de titane. 7. Matériau composite formé d'une matrice métallique à base de titane renforcée par des particules de céramique représentant au moins 108 du volume du matériau composite, tel qu'il peut être obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes, ce matériau composite étant pratiquement exempt d'amas de particules de renfort et pratiquement exempt de pores.