Brevet FR2693139A1 — publié le 19940107

PROCEDE DE LIAISON D'ALLIAGES CUIVREUX A DISPERSOIDES SUR DES MATERIAUX METALLIOUES. CERAMIOUES OU COMPOSITES PAR BRASAGE DANS UN FOUR SOUS ATMOSPHERE RAREFIEE. La présente invention concerne un procédé de brasage d'un élément métallique, céramique ou composite, avec un élément métallique qui consiste en un alliage cuivreux tel qu'un alliage de cuivre à dispersoïde contenant des éléments additionnels incluant des oxydes métalliques tels que, par exemple, de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de zirconium pouvant se présenter sous la forme de particules, de fibres, etc... Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la réalisation de structures d'échangeurs thermiques qui exigent des matériaux présentant une bonne conductibilité thermique. Pour ce type d'applications, on utilisait jusqu'ici fréquemment des éléments en cuivre, notamment en raison des propriétés de conductibilité thermique de ce métal et de sa facilité de brasage notamment à l'aide de brasures à base d'argent pouvant par exemple inclure de l'argent, du cuivre et du titane et, éventuellement, d'autres éléments. On constate cependant que le cuivre présente l'inconvénient de perdre ses propriétés mécaniques au fur et à mesure que l'on élève sa température et qu'il n'est plus utilisable dans certaines applications pour lesquelles une bonne tenue mécanique est requise à haute température. Pour tenter de supprimer cet inconvénient, on a donc proposé de substituer au cuivre un alliage de cuivre obtenu par frittage et incluant, par exemple, un oxyde d'aluminium. En effet, cet alliage présente une conductibilité thermique inférieure à celle du cuivre mais très supérieure aux autres matériaux envisageables, et ce, avec une conservation des propriétés mécaniques, à haute température. Cette particularité est notamment due au fait que l'oxyde métallique empêche le grossissement du grain sous l'effet de la température. Contrairement à ce qui est écrit dans la littérature actuelle, il statère toutefois que cette solution ne se prête pas au brasage à l'aide de brasures à base d'argent généralement utilisées pour le cuivre. On constate en effet qu'à la température de brasage (de l'ordre de 780 C), il se produit un phénomène de diffusion de l'argent à l'intérieur de l'alliage de cuivre très supérieur à ce qui est admissible (profondeur de l'ordre de 1 mm ou plus). Ce phénomène est dû notamment au fait qu'à la température de brasage il existe un eutectique argent/cuivre qui permet une meilleure solubilité et assure un contact plus intime entre l'argent et le cuivre, la propagation de la diffusion étant, par ailleurs, amplifiée en raison de la présence de microporosités dans les structures des alliages cuivreux à dispersoldes. Ce phénomène conduit à un appauvrissement en argent du joint brasé, à une fragilisation de la structure de l'alliage et à un risque de fissuration au choc thermique. On obtient en outre un joint brasé relativement poreux présentant des défauts de continuité ainsi que des irrégularités (cratères) dans les bords dudit joint. Pour tenter de supprimer ces inconvénients, on a donc propose des procédés de brasage consistant à effectuer un dépôt, par exemple de cuivre ou de nickel, sur la surface de l'alliage à braser. Toutefois, cette solution ne s'est pas avérée efficace, l'argent s'infiltrant à travers la moindre fissure ou porosité pour venir se répandre dans l'alliage. Une autre solution, proposée par les fabricants d'alliage, consiste à jouer sur la durée des paliers de diffusion du cycle thermique de brasage. En fait, cette solution qui paraît efficace en théorie, n'est pas valable en pratique en raison notamment de l'inertie thermique des fours industriels utilisés pour effectuer les brasages. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle propose d'utiliser un alliage de brasage exempt d'argent et/ou de matériaux précieux tels que de l'or ou du platine, et qui soit compatible avec une température de traitement ou de brasage comprise entre 8900C et 950 C, et, compte tenu des phénomènes d'inertie thermique induits par les fours industriels eux-mêmes, par les montages (et/ou les outillages de brasage) avec des temps de traitement ou de brasage supérieurs à 3 mn, de préférence compris entre 5 et 7 mn, ledit alliage comprenant au moins trois composants choisis parmi les élé ments suivants : le cuivre, le titane, le zirconium, le nickel, le silicium et le palladium. Avantageusement, cet alliage de brasage pourra consister en une brasure standard du commerce destinée aussi aux liaisons de type céramique métal. Des résultats excellents ont été obtenus au cours d'essais effectués avec des alliages de brasage présentant les compositions suivantes Exemple No 1 20 à 50 % en poids de cuivre 25 à 40 % en poids de titane 20 à 25 % en poids de zirconium. Exemple No 2 Composition similaire à l'exemple No 1, mais avec en plus du nickel dans une proportion en poids de 20 %. Exemple No 3 45 à 55 % en poids de palladium 45 à 55 % en poids de nickel 1 à 10 % en poids de zirconium. Un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une représentation schématique d'une installation de brasage La figure 2 est une courbe de température en fonction du temps illustrant un cycle de bra sage. Dans cet exemple, le brasage est exécuté dans un four de traitement thermique sous vide du type comprenant - une enceinte étanche 1, - des moyens de pompage 2 permettant de réaliser un vide relatif à l'intérieur de l'enceinte 1, - un moufle 3 en matière thermiquement isolante délimi tant un laboratoire dans lequel les pièces à braser 4, 5 peuvent être déposées, et - des moyens de chauffage par rayonnement 6, disposés à l'intérieur du moufle. A l'intérieur d'un tel four, le brasage des pièces s'effectue comme suit Les pièces 4, 5 sont tout d'abord préassemblées, avec, entre les parties à braser, une plaquette de brasure 7, présentant la composition précédemment définie. Elles sont ensuite introduites à l'intérieur du laboratoire. On réalise alors un vide relatif à l'intérieur de l'enceinte 1, puis on entame une phase de chauffage, à l'aide des moyens de chauffage 6, conformément au cycle thermique illustré sur la figure 2. Au cours de ce cycle, la température des pièces est amenée à une température TL qui est la température du liquidus de la brasure située dans cet exemple à 300C de la température de brasage TB. A partir de la température TL, le chauffage du four est réglé de manière à atteindre une vitesse de réchauffement de l'ordre de lO0C/mn, de sorte que la température de brasage (comprise entre 8900C et 950 C) mesurée sur pièce, est obtenue en un temps très court, typiquement, quelques minutes. Cette température de brasage sur pièce est ensuite maintenue constante pendant une période TM supérieure à 3 mn et, de préférence comprise entre 5 et 7 mn (durée supérieure à celle préconisée à l'heure actuelle dans la littérature spécialisée). Le four entame ensuite, soit une phase de refroidissement contrôlée, soit une phase de refroidissement liée à l'inertie thermique des équipements industriels, de manière à assurer tout d'abord le retour des pièces à la température de liquidus TL, puis du solidus Ts. La température du four peut être ensuite ramenée à la température ambiante à une vitesse égale ou supérieure à 5 0C/mn. Avantageusement, au cours de ce cycle de brasage, il est possible d'engendrer un effet Getter à l'intérieur du four. Le procédé précédemment décrit s'applique, par exemple, d'une façon particulièrement remarquable à la réalisation de contacts électriques ou d'échangeurs thermiques tels que, par exemple, celui qui est décrit dans la demande de brevet français No 87 08434 du 17 juin 1987 au nom de INNOVATIQUE S.A.. Dans cet exemple, l'échangeur comprend un corps réalisé en alliage de cuivre à dispersoïdes et traversé par un canal dans lequel peut circuler un fluide de refroidissement et une semelle de graphite ou de composite graphite servant de bouclier thermique particulièrement revêtue d'une couche de cuivre ou d'autres matériaux de manière à pouvoir être brasée sur le corps. Revendications 1. Procédé de liaison d'alliages cuivreux à dispersoïdes sur des matériaux métalliques, céramiques ou composites par brasage dans un four sous atmosphère raréfiée, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un alliage de brasure exempt d'argent et/ou de matériaux précieux tels que de l'or ou du platine, ledit alliage comprenant au moins trois composants choisis parmi les éléments suivants : le cuivre, le titane, le zirconium, le nickel, le silicium et le palladium, à disposer cet alliage de brasure directement entre lesdits éléments et à porter l'ensemble ainsi constitué à une température de traitement ou de brasage comprise entre 8900C et 9500C pendant une durée supérieure à 3 mn, de préférence comprise entre 7 et 9 mn. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage de brasure consiste en une brasure standard du commerce destinée aussi aux liaisons de type céramique métal. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit alliage de brasage présente la composition suivante 20 à 50 % en poids de cuivre 25 à 40 % en poids de titane 20 à 25 % en poids de zirconium. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit alliage comprend, en plus, du nickel dans une proportion en poids de 20 %. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit alliage de brasage présente la composition suivante 45 à 55 % en poids de palladium 45 à 55 % en poids de nickel 1 à 10 % en poids de zirconium. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cycle thermique est effectué sous atmosphère raréfiée, à l'intérieur d'un four de traitement thermique sous vide. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un effet Getter est réalisé à l'intérieur du four au cours du cycle thermique. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au cours du cycle thermique la température est amenée à une température (TL) qui est la température du liquidus de la brasure puis à la température de brasage à une vitesse de l'ordre de 10 C/mn. 9. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'au cours d'une phase de diffusion du susdit cycle thermique, les éléments sont portés à la température de brasage pendant une période allant de 5 à 7 mn. 10. Procédé selon l'une des revendications precédentes, caractérisé en ce qu'à la suite de la phase de diffusion, les pièces subissent, soit une phase de refroidissement contrôlée, soit une phase de refroidissement liée à l'inertie thermique des équipements industriels, au moins jusqu'au retour à la température de liquidus ou du solidus.