Brevet FR2698582A1 — publié le 19940603

MATERIAU COMPOSITE A FIBRES DE RENFORT ET A MATRICE METALLIQUE DESCRIPTION La présente invention se rapporte à un matériau composite comportant des fibres de renfort liées entre elles par une matrice métallique. L'invention se rapporte aussi à un procédé de fabrication de ce matériau composite ainsi qu'à une fibre de renfort utilisable dans ce matériau. Ce matériau est destiné à la réalisation de pièces mécaniques de haute performance. Les fibres de renfort utilisées sont soit longues et continues, soit courtes ou discontinues. Elles peuvent se présenter sous forme unitaire, sous forme d'un ensemble de filaments ou de mèches de fibres. Les fibres de renfort assurent la résistance mécanique et la rigidité des pièces en matériau composite et la matrice assure la liaison entre les fibres de renfort ainsi que le transfert des efforts. Les matériaux composites à matrice métallique sont depuis plusieurs années étudiés ou utilisés dans de nombreux secteurs industriels tels que les domaines spatial, aéronautique, automobile, naval et de façon générale dans tous les domaines nécessitant la réalisation de pièces mécaniques de haute performance. En effet, les matériaux composites à matrice métallique présentent une bonne résistance à l'impact, une haute stabilité dimensionnelle, une excellente conductivité thermique à la surface et dans L'épaisseur du matériau et enfin des propriétés mécaniques spécifiques élevées. Les fibres de renfort utilisables avec les matrices métalliques sont essentiellement des fibres de carbone ou de graphite du fait de leur haute résistance à la rupture, de leur grande rigidité et de leur coefficient de dilatation thermique légèrement négatif et de leur faible densité. Toutefois, d'autres fibres dites "réfractaires" peuvent etre utilisées comme les fibres de carbure de silicium, de nitrure de silicium, d'alumine, de zircone, de silice, d'aluminosilicate, etc. Devant la difficulté de mise en oeuvre de ces matériaux composites, leurs application n'ont pas été immédiates. Néanmoins, de récents progrès positionnent aujourd'hui ces matériaux composites comme des matériaux nominaux pour certaines applications dans le domaine des satellites. En effet, les matériaux composites à matrice métallique et à renfort de carbone prennent aujourd'hui le relais des matériaux composites à matrice de résine thermodurcissable renforcée. Les matrices auxquelles s'applique l'invention sont des matrices métalliques à base de métaux purs (Ti, Mg, Al, W), d'alliages de métaux (MgZr) et en particulier des matrices inter-métalliques du type aluminiure (TiAl, Ni AI, MgAl), nitrure CAIN), siliciure (MoSi) ou bérylliure d'un ou plusieurs métaux. Dans une matrice intermétallique, L'alliage métallique se comporte comme un métal pur à l'égard des éléments le constituant. La matrice à base de magnésium présente un certain nombre d'avantages par rapport aux autres matrices métalliques, tels qu'une faible densité (1,74) et une faible inertie chimique vis-à-vis des fibres et notamment en carbone. Ainsi, le matériau composite carbone/magnésium est un des matériaux composites à matrice métallique le plus intéressant. Les matériaux connus à matrice métallique présentent des limitations quant à leurs propriétés mécaniques plus spécialement en traction. Les propriétés mécaniques d'un matériau composite sont, entre autres facteurs, dépendantes de la quantité de renforts introduite dans la matrice. Le paramètre utilisé est le "taux volumique de fibres". Or, il est impératif que ce taux volumique de fibres soit constant dans tout le matériau. Dans le cas contraire, la réponse aux contraintes imposées au matériau n'est pas uniforme à travers ce dernier. Des points de faiblesse apparaissent alors, soit aux endroits où le taux de fibres est très faible du fait que les fibres ne reprennent pas suffisamment les efforts, soit aux endroits où le taux de fibres est trop élevé. Dans ce dernier cas, les fibres entrent en contact les unes des autres et les fissures éventuelles du matériau se propagent très facilement d'une fibre à l'autre ; l'énergie nécessaire à faire croftre ces fissures est très faible. Dans tous les cas d'inhomogénéité de la répartition du renfort, les propriétés du matériau composite sont très affectées. L'invention a justement pour objet un nouveau matériau composite à fibres de renfort et à matrice métallique permettant une meilleure répartition du renfort dans la matrice et donc des propriétés mécaniques améliorées, notamment en traction. A cet effet, L'invention a pour objet un nouveau matériau composite à fibres de renfort et à matrice métallique, caractérisé en ce que chaque fibre est recouverte d'une sous-couche métallique de même nature que la matrice métallique et présentant au moins pendant la phase de fabrication de la matrice, une viscosité supérieure à celle de la matrice métallique. Autrement dit, la sous-couche métallique présente une température de ramollissement, voire de fusion, supérieure à celle de la matrice. La sous-couche métallique revêtant les fibres, du fait de sa viscosité élevée à la température d'élaboration de la matrice, permet de réduire à zéro la probabilité d'avoir des fibres en contact l'une de l'autre dans le matériau composite et de contrôler parfaitement la distance minimale séparant deux fibres. Pour ces raisons, on obtient un matériau composite à matrice métallique présentant des propriétés mécaniques accrues par rapport aux matériaux connus. L'invention permet en outre de disposer d'un produit à gradient de propriétés physico-chimiques sans engendrer d'interface supplémentaire entre la souscouche métallique et la matrice. Or, actuellement, les gradients de propriétés sont obtenus par superposition de matériaux de natures très différentes (cas des matériaux d'interface pour améliorer l'adhérence de la matrice sur les fibres) et le passage d'un matériau à un autre crée une interface qui est considérée comme une zone de défauts. Le fait que la sous-couche métallique présente une viscosité supérieure à celle de la matrice pendant l'élaboration du matériau empêche le rapprochement des fibres jusqu'a leur contact pendant cette élaboration. Pour des facilités de fabrication de ces composites, on dépose la sous-couche métallique de préférence sur des fibres longues et continues qui peuvent être, si besoin est, découpées pour réaliser des renforts fibreux discontinus, à fibres courtes. En outre, ces fibres peuvent être réalisées en l'un des matériaux cités précédemment. Par sous-couche métallique de même nature que la matrice, il faut comprendre une sous-couche métallique contenant les mêmes éléments chimiques de base que ceux de la matrice mais avec des proportions différentes. En particulier, la sous-couche peut consister en un métal pur et la matrice métallique en un alliage de ce même métal. De même, la sous-couche peut consister en un alliage binaire de deux métaux et la matrice en un alliage tertiaire de ces deux métaux. En outre, des impuretés ou dopants peuvent être introduits dans la sous-couche métallique ou la matrice en vue de modifier la viscosité respectivement de la sous-couche ou de la matrice. Pour une matrice métallique donnée, la composition de la sous-couche métallique correspondante peut être déterminée à partir des diagrammes de phases des éléments chimiques entrant dans la constitution de la matrice. Pour une matrice contenant de l'aluminium associé à un autre métal tel que le titane, le nickel, le magnésium, il est possible de jouer sur la concentration en aluminium, respectivement dans la sous-couche et dans la matrice. En particulier, on peut utiliser une matrice métallique à base de magnésium contenant au moins 6% en poids d'aluminium et une souscouche métallique contenant au plus 4X en poids d'aluminium. Des résultats équivalents peuvent être obtenus pour des matrices métalliques contenant du zinc, du titane, du nickel. De préférence, la matrice et la sous-couche métallique sont à base de magnésium avec une certaine quantité d'aluminium. En particulier, la matrice peut contenir de 94X à 88% en poids de magnésium et de 6X à 12X d'aluminium. Parallèlement, la sous-couche métallique peut contenir de O à 4X en poids d'aluminium et de 96 à 100X en poids de magnésium. Les dopants, utilisables dans une matrice et une sous-couche à base de magnésium sont en particulier le zinc, le thorium, l'argent et les terres rares. Ils peuvent représenter de O à 4% en poids respectivement de la matrice et de la sous-couche. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un matériau composite à fibres de renfort et à matrice métallique tel que décrit précédemment. Ce procédé consiste à revêtir chaque fibre de renfort d'une sous-couche métallique de même nature que la matrice métallique et présentant au moins pendant la phase de fabrication de la matrice une viscosité supérieure à celle de la matrice et à former la matrice sur les fibres revêtues. La matrice du matériau de l'invention peut être fabriquée selon les différents procédés connus. Ainsi, la matrice peut être réalisée en phase liquide, par infiltration, ou en phase solide ou semi-solide selon la technique de consolidation à chaud par soudage-di ffusion. L'infiltration par voie liquide consiste à infiltrer le métal ou l'alliage de la matrice fondu, sous une pression plus ou moins forte, dans une préforme fibreuse, représentant la pièce à réaliser en matériau composite. La préforme fibreuse peut être obtenue par tissage ou bobinage de fibres éventuellement revêtues chacune de la sous-couche métallique, selon une ou plusieurs directions coplanaires ou non. Le dépôt de la sous-couche métallique sur les fibres peut être effectué avant ou après la réalisation de la préforme fibreuse par exemple selon la technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD). La consolidation à chaud par soudagediffusion utilise un semi-produit, le préimprégné métallique. Ce préimprégné métallique peut consister en une nappe de fibres adjacentes parallèles, recouvertes de leur sous-couche métallique puis d'une couche de métal ou d'alliage devant former la matrice. Plusieurs nappes de ce type peuvent être empilées dans un moule adapté à la pièce à réaliser. Ces préimprégnés métalliques sont alors consolidés par chauffage jusqu'à une température proche de la fusion du métal ou alliage de la matrice, sous pression mécanique. L'ensemble est ensuite refroidi jusqu'à la température ambiante. Le préimprégné peut aussi consister en une nappe de fibres adjacentes parallèles, recouvertes uniquement de la sous-couche métallique. La consolidation de plusieurs préimprégnés de ce type est alors assurée en les plaçant entre deux plaques en métal ou alliage destinées à former la matrice, et en ramollissant ces plaques sous-pression mécanique afin d'assurer la migration du métal ou alliage entre les fibres. Le dépôt de la couche métallique puis celui éventuel du métal ou alliage de la matrice sur les fibres pour constituer le préimprégné métallique peuvent être réalisés par PVD. L'unique interface présente dans le matériau composite de l'invention est celle située entre les fibres et la sous-couche métallique. Il subsiste néanmoins un gradient de concentration entre la surface des fibres et la matrice du matériau. Aussi, si besoin est, un post-traitement thermique du matériau composite peut être effectué afin d'homogénéiser ou de "mettre en solution" l'alliage métallique entourant les fibres et notamment de réduire les gradients de concentration au sein de cet alliage. Les paramètres du traitement thermique d'homogénéisation sont donnés par les banques de données métallurgiques. On peut aussi effectuer un traitement de stabilisation/détente. L'invention a aussi pour objet une fibre de renfort pour matériau composite à matrice métallique, caractérisée en ce que la fibre est recouverte d'une sous-couche métallique de même nature que la matrice métallique et présentant au moins pendant la phase de fabrication de la matrice, une viscosité supérieure à celle de la matrice métallique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - les figures 1 et 2 illustrent schématiquement les différentes étapes de fabrication d'un matériau composite à matrice métallique, selon une première variante, conforme à l'invention, - la figure 3 est un diagramme illustrant le gradient de concentration en aluminium d'un matériau composite à matrice magnésium-aluminium, conforme à l'invention, et - les figures 4 et 5 illustrent schématiquement les différentes étapes de fabrication d'un matériau composite à matrice métallique, selon une seconde variante, conforme à l'invention. En référence aux figures 1 et 2, le procédé de fabrication d'un matériau composite conforme à l'invention et plus spécialement de consolidation, consiste à revêtir des fibres 2 de préférence en carbone ou en graphite d'une sous-couche 4 métallique puis d'une couche externe 6 de métal ou d'alliage, destinée à réaliser la matrice métallique du matériau composite. La sous-couche 4 est déposée par PVD et présente une épaisseur e allant de 1pm à 10pu. De même, la couche externe 6 est déposée par PVD sur une épaisseur E allant typiquement de 11um à 1 oui. La matrice est alors formée selon la technique de soudage-diffusion. Les fibres 2 ainsi revêtues de la sous-couche 4 et de la couche 6 sont disposées côte à côte selon une ou plusieurs nappes dans un outillage approprié 8 qui est chauffé jusqu'à une température assurant uniquement le transport de matière de la couche externe 6, comme illustré sur la figure 2. Le métal ramolli, voire liquéfié, migre alors entre les fibres 2 revêtues de la sous-couche métallique 4. Après cette liquéfaction de la couche externe 6, on applique une pression allant de 5MPa à 30MPa, selon la nature des alliages utilisés, symbolisée par les flèches 10, pour le soudage de la matrice. La température est maintenue stable pendant toute la durée du pressage. Conformément à l'invention, la sous-couche métallique 4 est de même nature que la matrice métallique 6 mais présente une viscosité supérieure à celle de la matrice au moins pendant la phase d'élaboration de la matrice afin d'éviter un ramollissement de cette sous-couche lors du ramollissement voire de la liquéfaction de la couche externe 6. Ainsi, pendant cette phase de ramollissement, les fibres 2 voisines sont maintenues écartées l'une de L'autre grâce à leur sous-couche 4 les entourant. La distance minimale séparant deux fibres 4 est alors égale à 2e. Les épaisseurs e et E sont choisies en fonction du taux volumique de fibres final Vf souhaité dans le matériau composite. Ce taux volumique final 2 2 satisfait à la relation Vf=R /(R+e+E) avec R représentant le rayon d'une fibre. En jouant sur les épaisseurs e et E, il est ainsi possible d'améliorer, par rapport à l'art antérieur, la répartition des fibres dans la matrice et donc les propriétés mécaniques du matériau composite. La sous-couche 4 est en particulier une souscouche à base de magnésium renfermant au plus 4X en poids d'aluminium et la couche externe (ou matrice) 6 est à base de magnésium avec une concentration en aluminium supérieure à 6X voire supérieure à 8X. EXEMPLE 1 Dans cet exemple 1, la sous-couche 4 contient 96% en poids de magnésium et 4X en poids d'aluminium et la couche externe 6 (ou matrice) contient 91X en poids de magnésium et 9% en poids d'aluminium. La couche externe 6 à 9X d'aluminium se ramollie dès 4100C. Aussi, un chauffage à une température allant de 450 à 48O0C permet la liquéfaction partielle (ou fluage) de cette couche 6 et donc sa migration entre les fibres. En revanche à ces températures, la sous-couche 2 à 4X d'aluminium reste suffisamment visqueuse, voire rigide, et empêche ainsi le rapprochement des fibres d'une distance inférieure à 2e. Le ramollissement d'une couche à 4% en aluminium est voisin de 5900C. La consolidation ou soudage est effectuée en maintenant le matériau à 4800C et en appliquant une pression de 25MPa. Le matériau composite ainsi obtenu présente un gradient de concentration notamment en aluminium illustré par la figure 3. Ce diagramme donne le pourcentage d'aluminium en fonction de l'épaisseur dans le préimprégné, avant densification. Ce gradient de concentration en aluminium se traduit par un gradient de propriétés thermomécaniques, de viscoélasticité et d'équilibre de phases. EXEMPLE 2 Au lieu d'utiliser une sous-couche 4 contenant 4% d'aluminium, on peut utiliser une souscouche de magnésium pur avec une couche externe 6 à 9X en aluminium. La température de ramollissement du magnésium pur est de 5900C. La mise en oeuvre est donc identique à celle de l'exemple 1. Conformément à l'invention, il est aussi possible de réaliser un matériau composite à matrice métallique par voie liquide à partir d'un préimprégné. Le principe de réalisation du préimprégné est identique à celui décrit en référence aux figures 1 et 2 à l'exception du dépôt de la couche externe 6. Ce procédé est illustré sur les figures 4 et 5. Comme représenté sur ces figures, la réalisation du préimprégné s'arrête apres le dépôt de la sous-couche 4 à haute température de liquéfaction, sur une épaisseur e. Les fibres préimprégnées sont disposées les unes à côté des autres et sur plusieurs nappes (ou niveaux) entre deux clinquants respectivement 12 et 14 en un alliage à basse température de liquéfaction. L'ensemble est alors positionné dans l'outillage 8 que l'on monte en température. La suite du procédé est identique à ce qui est décrit précédemment. La liquéfaction partielle des clinquants 12 et 14 entratne la migration de la matrice autour des fibres revêtues de leur sous-couche 4. Les conditions de pression et de température sont identiques à celles décrites précédemment. Si besoin est, un ou deux post-traitements thermiques peuvent être effectués pour les matériaux composites ainsi réalisés. Ces post-traitements permettent de réduire les gradients de concentration du matériau métallique entourant les fibres 2 et/ou les contraintes internes du matériau. Pour une sous-couche de O à 4X en poids d'aluminium et une matrice à 9X en poids d'aluminium, le reste étant du magnésium, le traitement d'homogénéisation ou de "mise en solution" peut être effectué à une température voisine de 39O0C, pendant au moins 8 heures. On peut aussi effectuer un traitement de stabilisation/détente de 2 heures à 3300C, soit à la place du traitement d'homogénéisation soit à la suite de ce dernier. La description ci-dessus a été faite dans le cadre de la fabrication de matériaux composites par la technique de soudage-diffusion. Mais bien entendu, comme on l'a dit précédemment, le matériau composite de l'invention peut aussi être réalisé par infiltration par voie liquide. Par cette technique, on dépose tout d'abord la sous-couche métallique par PVD sur les fibres que l'on tisse ou bobine pour former une préforme fibreuse, puis on infiltre l'alliage métallique destiné à former la matrice sous forme liquide. EXEMPLE 3 Le procédé de l'invention s'applique aussi à une matrice contenant 90X en poids de magnésium, 9X en poids d'aluminium et 1X en poids d'un dopant choisi parmi le zirconium, l'argent, le zinc avec une souscouche contenant de 0,2 à 4X en poids d'aluminium, le reste étant du magnésium. EXEMPLES 4 et 5 Le procédé de l'invention s'applique aussi à une matrice intermétallique à base de titane contenant 50X en poids de titane et 50% en poids d'aluminium ou 40X en poids de titane et 60X en poids d'aluminium avec une sous-couche contenant au plus 75X d'aluminium et le complément en titane. REVENDICATIONS 1. Matériau composite à fibres de renfort et à matrice métallique, caractérisé en ce que chaque fibre (2) est recouverte d'une sous-couche métallique (4) de même nature que la matrice métallique (6, 12, 14) et présentant au moins pendant la phase de fabrication de la matrice, une viscosité supérieure à celle de la matrice métallique. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice métallique (6, 12, 14) contient de l'aluminium à une concentration > 6X en poids et la sous-couche métallique (4) contient de l'aluminium à une concentration 3. Matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matrice (6, 12, 14) et la sous-couche métallique (4) sont à base de magnésium. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matrice 6, 12, 14) contient 91X en poids de magnésium et 9X en poids d'aluminium et en ce que la sous-couche métallique (6) contient 96X en poids de magnésium et 4X en poids d'aluminium. 5. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fibres (2) sont des fibres de carbone. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fibres (2) sont des fibres continues ou discontinues 7. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la souscouche métallique (4) a une épaisseur allant de 1 à goum. 8. Procédé de fabrication d'un matériau composite à fibres (2) de renfort et à matrice métallique (6, 12, 14), consistant à revêtir chaque fibre (2) de renfort d'une sous-couche métallique (4) de même nature que la matrice métallique (6, 12, 14) et présentant au moins pendant la phase de fabrication de la matrice, une viscosité supérieure à celle de la matrice et à former la matrice sur les fibres revêtues de ladite sous-couche. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la matrice est formée en déposant une couche métallique (6) sur la sous-couche (4) de chaque fibre, destinée à former la matrice, en ramollissant la couche métallique sous pression mécanique afin d'assurer sa migration entre les fibres puis en laissant refroidir le matériau ainsi obtenu. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'on effectue un post-traitement thermique d'homogénéisation et/ou un post-traitement thermique de stabilisation/détente du matériau. 11. Fibre de renfort pour matériau composite à matrice métallique, caractérisée en ce que la fibre est recouverte d'une sous-couche métallique (4) de même nature que la matrice métallique (6, 12, 14) et présentant au moins pendant la phase de fabrication de La matrice, une viscosité supérieure à celle de la matrice métallique.