Brevet FR2675063A1 — publié le 19921016

La présente invention concerne l'élaboration de pièces métalliques composites à renforts métalliques et/ou intermétalliques qui présentent de nombreux avantages tant au point de vue de l'amélioration mécanique des alliages ainsi obtenus que de l'extrême diversité d'alliages que cette technique permet d'élaborer. Cependant on se heurte à des problemes de compatibilités chimiques et de contrôle de la formation de l'interface dès lors que l'on songe à des voies de fonderie pour élaborer ce type de matériau ; ceci restreint fortement les plages de compositions utilisables. Par ailleurs, les composites eutectiques étudiés à fond pour la possibilité de les élaborer par des voies liquides se sont peu développés d'une part à cause des difficultés de fabrication, d'autre part par le fait que les caractéristiques des seuls intermétalliques ne permettent pas toujours d'obtenir la combinaison de propriétés adaptées au problème technologique. La présente invention relève des techniques d'élaboration de composites à matrices métalliques par imprégnation de préformes de renforts métalliques par un métal liquide, qui est de mise en oeuvre simple et qui en même temps permet d'obtenir une variété inégalée à ce jour de structure composite. Ces objectifs de l'invention sont atteints en ce qu'on prépare une préforme composite à caractère poreux constituée d'un mélange compacté d'éléments métalliques allongés enchevêtrés dans de la poudre métallique, en ce qu'on os place ladite préforme occupant un volume déterminé dans un moule d'élaboration d'une pièce, en ce qu ' on coule ensuite le métal de matrice qui s'imprègne complètement par infiltration dans ladite préforme, et en ce qu'on forme in situ d'une part, l'alliage de la matrice du composite dans une composition différente de celle de l'alliage coulé, d'autre part, s'il y a lieu, les renforts intermétalliques. De préférence les éléments métalliques allongés présentent une longueur qui est de 10 à 100 fois la dimension moyenne des poudres. Cette façon de faire permet l'élaboration in situ de la matrice du composite. Grâce à la diffusion partielle ou complète des poudres dans le métal liquide constituant la matrice du composite, qui peut s'opérer soit lors de la coulée par interaction solide/liquide, soit au cours d'un traitement thermique ultérieur par interaction solide/solide, on dispose des avantages suivants par rapport aux techniques connues utilisées couramment - il est possible d'élaborer in situ la matrice destinée à être renforcée, ce qui présente l'avantage de pouvoir adapter la nature de l'alliage à sa fonction dans la piece ; par extension on peut ainsi songer à préparer dans le moule une piece constituée d'une ou de plusieurs parties en différents composites, ces parties étant liées entre elles par des zones non composites pouvant être en différents alliages réalisés entre eux aussi, in situ, à partir d'un seul alliage coulé - de façon indirecte, et de surcroît, on peut éliminer les difficultés rencontrées en fonderie dans l'élaboration de certaines nuances : faible fluidité de l'alliage, collage de l'alliage aux outils, etc. - la dissolution des poudres métalliques introduites dans l'alliage coulé permet, par la saturation partielle ou complète de ce dernier en espèces diffusantes, de contrôler les cinétiques de réactions fibres-matrice - il est possible de cette façon d'élaborer des matrices métalliques à caractéristiques élevées par les possibilités de durcissement structural offertes en pouvant former in situ des composés intermétalliques pouvant être de différentes natures, soit au cours de l'opération de fonderie, soit au cours du traitement thermique ultérieur - il est possible de cette façon d'obtenir des arrangements spatiaux garantissant une bonne répartition des renforts dans le composite et empêchant la formation de zones sans matrice (contact direct des renforts entre eux). Les mises en oeuvre de 1 invention sont très diverses et notamment - Les éléments métalliques allongés ou fibres peuvent être tous de même nature, ou bien au contraire on peut former un réseau constitué de fibres ayant des natures différentes. - Les poudres métalliques noyées parmi les éléments métalliques allongés peuvent être également d'une même nature ou de natures différentes. I1 y a lieu de noter que les éléments constitutifs d'une préforme remplissent des fonctions bien précises - les formes des renforts finaux obtenus à partir des constituants initiaux affectent à chacun de ces derniers un rôle modificateur de propriétés particulier par exemple, les fibres par le transfert de charge apportent une amélioration des limites d'élasticité, de résistance et de rigidité, alors que les poudres permettent d'accroître la ductilité par rapport à un composite uniquement fibreux et, en fonction de leur nature, les caractéristiques de résistance à l'usure ;; - le réseau de fibres emprisonnant la poudre a pour fonction d'assurer la bonne répartition de cette dernière dans le volume de la préforme et d'éviter ainsi une hétérogénéité de composition de la matrice finale - réciproquement la poudre ou le mélange de poudres en toutes proportions, différentes entre elles par leurs compositions, leurs granulométries, leurs états d'oxydation, la forme des grains ou toutes autres caractéristiques pouvant, après dissolution dans l'alliage coulé, conduire à des intermétalliques finaux différents permet d'ajuster dans une certaine mesure la fraction volumique ainsi que leur bon espacement - au cours de l'infiltration, les particules métalliques de compositions choisies en se dissolvant dans l'alliage liquide modifient sa composition, provoquent sa saturation en éléments d'alliages constitutifs des fibres et susceptibles de réagir avec l'alliage liquide, ce qui diminue, voire annihile, la dégradation des fibres par ce dernier et entraîne sous certaines conditions la formation in situ d'intermétalliques - il est ainsi possible de fabriquer par des voies de fonderie, des pieces métalliques renforcées localement par des composites à matrices métalliques de compositions pouvant être rendues différentes de celle de l'alliage coulé par le seul fait de la présence des poudres métalliques, et à renforts métalliques. Les mises en pratique font appel à la technique de métallurgie des poudres. On enrobe les renforts discontinus d'une coquille de grains de poudres. Ce mélange réalisé dans une matrice est soit compacté et utilisé tel quel, soit compacté puis porté à température pour provoquer une diffusion à l'état solide ou pour réaliser un léger frittage à l'état liquide par fusion superficielle des grains de poudre. Ensuite l'ensemble qui est ainsi préparé et qui présente une porosité suffisante est extrait de la matrice pour etre placé dans le moule de la pièce à couler afin d'être imprégné par le métal liquide. La description de ces opérations fait indirectement apparaître le rôle déterminant du choix des caractéristiques de la poudre et du métal versé ainsi que des paramètres d'élaboration et notamment - compositions de l'alliage coulé, des fibres et des poudres, - granulométries de la poudre et des renforts, - morphologie des grains de poudre et des renforts, - technique de mélange des grains de poudre et des renforts - traitement éventuel de surface des éléments métalliques allongés, - vitesses d'infiltration, - niveau de pression maintenu au cours de la solidification - nature du traitement thermique. Apres infiltration et solidification, un traitement thermique peut être effectué afin d'assurer l'homogénéité de la matrice et lui conférer éventuellement ses caractéristiques mécaniques, dans le cas de matrice pouvant être durcie par traitement thermique. Ce traitement est effectué avant ou après les opérations de finition sur la pièce. EXEMPLE DE MISE EN OEUVRE EXEMPLE 1 On réalise un composite en imprégnant par un alliage d'aluminium contenant en pourcentage pondéral 1,5 à 2,5% Cu, 2 à 3% Mg, 0,3 à 0,9% Zn, une préforme constituée de fibres d'acier séparées par un mélange de poudres de zinc et de poudres de laiton ; les pièces obtenues sont ensuite soumises à un traitement thermique d'homogénéisation (465"C + 5"C) qui assure une mise en solution du cuivre et du zinc (traitement par palier pour éviter les brûlures) suivi d'une trempe à l'eau puis d'un durcissement par un revenu : on obtient ainsi un composite à matrice d'alliage d'aluminium type 7075 (norme française AFNOR N" A02-104) renforcée par des fibres d'acier. EXEMPLE 2 On réalise un composite en imprégnant par un alliage de magnésium contenant 8 à 9% pond. Al, 0,3 à 0,9% Pond. Zn, une préforme constituée de fibres d'acier séparées par un mélange de poudres de zinc et de laiton ; les pièces obtenues sont ensuite soumises à un traitement thermique d'homogénéisation par mise en solution du cuivre et du zinc (traitement par palier pour éviter les brûlures) suivi d'une trempe à l'eau puis d'un durcissement par un revenu : on obtient ainsi un composite à matrice d'alliage de magnésium de type G-A9Z1 (norme française AFNOR). EXEMPLE 3 On réalise un composite en imprégnant par un alliage d'aluminium à 7% Si et 0,3% Mg, une préforme constituée de 7% vol. de fibres d' acier emprisonnant 4% vol. d'une poudre de nickel carbonyl d'une granulométrie moyenne de 3 pm ; il y a formation in situ d'environ 20% volumiques d'intermétalliques.Les pièces obtenues sont ensuite soumises à un traitement thermique de durcissement par précipitation de Mg2 Si : on obtient ainsi un composite à matrice d'alliage d'aluminium type AS7G03 (norme française AFNOR NO A57702) renforcée par environ 7% vol. de fibres d'acier et 20% vol. d'intermétalliques de type Al3Ni EXEMPLE 4 Il est possible de réaliser un composite en imprégnant par un alliage d'aluminium contenant en % pondéraux 1,5 à 2,5% Cu, 2 à 3% Mg, 0,3 à 0,9% Zn, une préforme constituée de fibres d'acier séparées par un mélange de poudres de titane à 6% d'aluminium et moins de 1% de vanadium ; les pièces obtenues sont ensuite soumises à un traitement thermique d'homogénéisation par mise en solution du cuivre et du zinc (traitement par palier pour éviter les brûlures) suivi d'une trempe à l'eau puis d'un durcissement par un revenu : on obtient ainsi un composite à matrice d'alliage d'aluminium type 7075 (norme française AFNOR NO A02-104) renforcée par des fibres d'acier et des intermétalliques de type TiAl3. L'invention est maintenant illustrée par un exemple d'application en référence à la figure du dessin annexé, qui représente en coupe un boîtier mécanique qui est réalisé en préparant d'abord une préforme annulaire 1 à base de fibres métalliques 2 et de poudres 3, puis en plaçant cette préforme dans un moule en une position appropriée de façon à obtenir par coulée d'un métal une pièce finale 4 ayant une partie non renforcée 5 et une partie à renforts métalliques 6. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration de pièces d'alliage métallique à renforts métalliques et/ou intermétalliques, réalisées par imprégnation de préformes de renforts métalliques par un métal liquide, caractérisé en ce qu'on prépare une préforme composite à caractère poreux constituée d'un mélange compacté d'éléments métalliques allongés enchevêtrés dans de la poudre métallique, en ce qu'on place ladite préforme occupant un volume déterminé dans un moule d'élaboration d'une pièce, en ce qu'on coule ensuite le métal de matrice qui s'imprègne totalement par infiltration dans ladite préforme et en ce qu'on forme in situ d'une part, l'alliage de la matrice du composite dans une composition differente de celle de l'alliage coulé, d'autre part, s'il y a lieu, les renforts intermétalliques. 2. Procédé d'élaboration de pièces métalliques à renforts métalliques, caractérisé en ce que les éléments métalliques allongés présentent une longueur qui est de 10 à 100 fois environ la dimension des poudres. 3. Procédé d'élaboration de pièces métalliques à renforts métalliques selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les poudres et le métal de matrice réagissent entre eux par dissolution au moins partielle desdites poudres dans ledit métal de matrice. 4. Procédé d'élaboration de pièces métalliques à renforts métalliques selon la revendication 3, caractérisé en ce que la dissolution des poudres dans le métal de matrice intervient à la coulée dudit métal de matrice. 5. Procédé d'élaboration de pieces métalliques à renforts métalliques selon la revendication 3, caractérisé en ce que la dissolution des poudres dans le métal de matrice intervient lors d'un traitement thermique ultérieur. 6. Procédé d'élaboration de pièces métalliques à renforts métalliques selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on choisit une composition de poudre telle que la dissolution des poudres dans le métal de matrice provoque la saturation dudit liquide de matrice en élément d'alliages constitutifs des éléments métalliques allongés.