Brevet FR2714916A1 — publié le 19950713

MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE RENFORCEE PAR DES PARTICULES MONOCRISTALLINES D'ALUMINE ET PROCEDE DE PREPARATION La présente invention a pour objet des matériaux composites à matrice métallique renforcée par des particules d'alumine monocristallines orientées ainsi que leur procédé de préparation. On connaît déjà des procédés de préparation de matériaux composites à matrice métallique renforcée par des particules inorganiques. Ainsi, dans le brevet US 4 839 238, on a proposé de fabriquer des composites à matrice métallique renforcée par des fibres à base de C, SiO2, SiC, B ou Au203. Selon ce brevet, le matériau composite est obtenu par compression desdites fibres alignées dans un moule et de métal à l'état fondu, lequel métal est ensuite solidifié sous haute pression. La matrice métallique est constituée d'un alliage à base d'AI, Mg, Cu, Ti ou Ni et de Pb ou d'un mélange contenant du Pb et un métal choisi parmi Na, K, Ca, Sr, Ce, Ba ou Ra. Dans le brevet US 4 756 753, on prépare des matériaux composites à matrice aluminium renforcée par des particules de Si3N4, SiC, TiN, Au203, TiC, TiSi2, MoSi2 ou Ni3AI présentant un diamètre moyen inférieur à 10 pm. Ce procédé consiste à préparer une poudre composite renfermant les particules inorganiques et l'aluminium et à extruder ladite poudre. La demande de brevet EP 0 223 478 décrit un procédé de préparation de matériaux composites à matrice métallique renforcée par infiltration sous pression d'une préforme constituée de fibres inorganiques et d'un liant inorganique par un métal fondu choisi parmi Al, Ti, Mg et leurs alliages. Les fibres utilisées sont à base d'un oxyde métallique tel que Au203 et sont polycristallines. Dans le matériau composite ainsi obtenu, les fibres de renfort sont réparties statistiquement au sein de la matrice métallique. Enfin, dans la demande EP 0 206 647, on propose de préparer des matériaux composites par infiltration d'une préforme renfermant des fibres polycristallines d'un oxyde métallique telle l'alumine et un liant par un métal choisi parmi Al, Mo,Ti et leurs alliages, et extrusion. Les fibres utilisées présentent un diamètre inférieur à 10 pm et une longueur variant de plusieurs cm à plusieurs m pour les plus longues et de quelques pm à quelques centaines de pm pour les fibres les plus courtes obtenues par hachage des précédentes. Ces fibres sont constituées d'alumine de transition présentant une faible densité, généralement inférieure à 3 g/ml. II a maintenant été trouvé de nouveaux matériaux composites à matrice métallique renforcée par des particules d'alumine orientées, ces matériaux étant caractérisés en ce que lesdites particules sont monocfistallines. Par "particules orientées" on entend ici des particules dont le grand axe ou le plan de base ne s'écarte pas de plus de 15 de la direction d'orientation ou du plan d'alignement. Parmi ces matériaux, l'invention concerne plus particulièrement des matériaux dont les particules présentent un rapport d'aspect variant de 3 à 100 et de préférence de 4 à 15. L'expression "rapport d'aspect" est utilisé pour désigner le rapport longueuridiamètre dans le cas de particules aciculaires et longueur/épaisseur dans le cas de particules tabulaires. De préférence, l'invention concerne de tels matériaux renfermant des particules d'alumine a se présentant sous forme de plaquettes essentiellement hexagonales. Par "plaquettes essentiellement hexagonales" on entend ici des plaquettes présentant une base de forme hexagonale, étant précisé que tous les sommets ne sont pas nécéssairement angulaires. Plus particulièrement encore, l'invention concerne les matériaux précités dont la fraction volumique des particules est comprise entre 5 et 60 % et de préférence entre 10 et 40 %. L'invention a également pour objet un procédé de préparation des matériaux composites à matrice métallique renforcée tels que définis précédemment, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à: a) infiltrer une préforme comprenant des particules d'alumine monocristallines avec un métal à l'état fondu b) orienter les particules de renforcement du matériau composite ainsi obtenu. La préforme selon le procédé de l'invention est généralement choisie parmi les préformes renfermant des particules monocristallines d'alumine présentant un rapport d'aspect variant de 3 à 100 et de préférence de 4 à 15. Parmi ces préformes, on donne la préférence à celles dont les particules se présentent sous forme de plaquettes essentiellement hexagonales. De manière avantageuse, on utilise essentiellement des particules constituées d'alumine a. La préforme peut être obtenue par tout procédé connu de l'art antérieur. A titre d'exemple, on peut citer le procédé mis en oeuvre dans la demande de brevet EP 0 460 987 au nom de la Demanderesse à partir d'une poudre fine tassée d'alumine amorphe, de transition ou hydratée et d'un fondant. Généralement, on préfère utiliser une préforme présentant une porosité variant de 40 à 95 % et de préférence de 60 à 90 % (mesurée par porosimétrie au mercure). Le métal selon le procédé de l'invention est généralement choisi parmi Al, Mg et les alliages essentiellement à base d'AI ou de Mg. De préférence, on utilise l'aluminium A9 et l'alliage Al-6061. Dans la mise en oeuvre de la première étape du procédé conforme à l'invention, on réalise généralement l'infiltration en plaçant la préforme dans une presse de fonderie alimentée par le métal à l'état fondu. D'une manière générale, I'infiltration est réalisée selon les techniques habituelles sous une pression pouvant atteindre 150 MPa. Cependant, et ceci constitue un intérêt tout particulier de l'invention, l'infiltration peut être réalisée à une pression très inférieure, par exemple comprise entre 1 et 10 MPa. Le métal fondu est généralement porté à une température sensiblement supér ieure à sa température de fusion. A titre indicatif, cette température peut varier entre 650 et 900"C pour l'aluminium. La température de la préforme est au moins égale à la température de fusion du métal à infiltrer. A l'issue de cette première étape du procédé selon l'invention, on obtient un matériau composite dont la matrice métallique est renforcée par des particules d'alumine monocristallines distribuées de manière statistique. Ce matériau composite, qui constitue également un objet de la présente invention, présente une porosité inférieure à 3 %. La seconde étape du procédé selon l'invention consiste à orienter les particules de renforcement du matériau composite obtenu à l'étape précédente. D'une manière générale, on réalise une telle orientation en soumettant le matériau composite à un traitement choisi parmi les techniques habituelles du domaine. Avantageusement, on met en oeuvre l'orientation par laminage ou extrusion à une température comprise entre u3 Tf et Tf, Tf étant la température de fusion de la matrice métallique utilisée. A titre indicatif, cette température est voisine de 450"C lorsque la matrice est l'aluminium ou ses alliages. Les matériaux composites à matrice métallique renforcée par des particules monocristallines orientées d'alumine, autre objet de la présente invention, sont susceptibles de nombreuses applications. Ils peuvent notamment servir à la fabrication de pièces pour moteurs, en particulier pour constituer des renforts locaux dans les pistons et les culasses, et d'articles de sport tels les clubs de golf et les cadres de bicyclette. Les exemples suivants permettent d'illustrer l'invention. EXEMPLE 1 On utilise une préforme parallélépipédique (dimensions en mm: 90 x 75 x 15) constituée de plaquettes hexagonales d'alumine a présentant une longueur moyenne de 12 pm et une épaisseur moyenne de 1 Clam. Les plaquettes sont réparties dans la préforme de manière statistique. La préforme présente une porosité ouverte de 81 % (mesurée par porosimétrie au mercure) constituée de pores centrés sur un rayon sensiblement égal à 3,5 pm. Une telle préforme est obtenue selon le mode de préparation décrit dans la demande EP 0 460 987 au nom de la Demanderesse. La préforme en céramique, placée dans l'enceinte d'une presse de fonderie alimentée par un alliage d'aluminium Al-6061 à l'état fondu, est infiltrée sous une pression de 9 MPa. Après refroidissement, on recueille un matériau composite dont la matrice métallique est renforcée de manière isotrope (Figure 1). Le matériau composite ainsi obtenu (matériau isotrope) présente une porosité inférieure à 2 % (mesurée par analyse d'image). Ce matériau est usiné (épaisseur 12 mm) et divisé en deux parties (échantillons C1 et C2). L'échantillon C2 est préchauffé à 550"C pendant 1 heure et laminé de manière à réduire son épaisseur de 5 % à chaque passe. Après 21 passes, entrecoupées de réchauffements à 550"C, l'échantillon C2 présente une épaisseur de 4 mm (matériau anisotrope). Les échantillons C1 et C2 sont portés à 535"C pendant 2 heures et trempés à l'eau, puis maintenus à 175"C pendant 4 heures (traitement T6). On détermine l'orientation des plaquettes dans l'échantillon C2 par l'enregistrement des figures de pôles par diffraction des rayons X. On constate que l'axe perpendiculaire au plan de base des plaquettes hexagonales est voisin de la normale au plan de laminage de l'échantillon. L'orientation des plaquettes hexagonales dans l'échantillon C2 dans un plan perpendiculaire au plan de laminage est illustrée par la Figure 2 obtenue par microscopie électronique à balayage. Les mesures des propriétés mécaniques oR, 00,2 et gR sont déterminées à partir de la courbe de traction effectuée sur des éprouvettes usinées dans le plan de laminage et orientées selon la direction de laminage (échantillon C2). Le module d'Young E est déterminé par extensométrie. Les caractéristiques mécaniques des matériaux composites isotrope Cl et anisotrope C2 sont présentées dans le Tableau 1 comparativement à celles de la matrice AI6061 ayant subi le traitement T6. EXEMPLE 2 On procéde dans les conditions de l'exemple 1 en présence d'une préforme présentant une fraction volumique de plaquettes d'alumine a égale à 18 % infiltrée avec de l'aluminium pur de qualité A9. Les caractéristiques mécaniques des composites isotrope C3 et anisotrope C4 ayant subi un traitement d'une heure à 550"C sont présentées dans le Tableau 1 comparativement à celles de la matrice A9. EXEMPLE 3 On utilise une préforme cylindrique (diamètre: 40 mm; hauteur : 30 mm) constituée d'un empilement statistique de plaquettes monocristallines d'alumine a présentant les mêmes caractéristiques dimensionnelles qu'à l'exemple 1. La fraction volumique de la préforme est égale à 16 %. La préforme est placée dans le dispositif d'infiltration selon l'exemple 1 et infiltrée sous pression (9 MPa) avec un alliage d'aluminium Al-6061 à l'état fondu. On obtient un matériau composite isotrope qui est divisé en deux parties (échantillons C5 et C6). L'échantillon C6 est préchauffé à 500"C pendant 1 heure et extrudé en une seule passe dans une extrudeuse munie d'une filière de 15 mm de diamètre. Les échantillons C5 et C6 sont soumis au traitement T6 selon l'exemple 1. L'enregistrement des figures de pôles de l'échantillon C6 indique que le plan des plaquettes se répartit à l'intérieur d'un cône présentant un angle au sommet de 150. Les caractéristiques mécaniques des matériaux composites isotrope C5 et anisotrope C6, mesurées selon les méthodes de l'exemple 1, sont présentées dans le Tableau 1. Les éprouvettes de traction des matériaux extrudés ont été usinées de telle sorte que l'axe de traction coïncide avec la direction d'extrusion. EXEMPLE 4 On procède dans les conditions de l'exemple 3 en présence d'aluminium A9. Les caractéristiques mécaniques des matériaux composites isotrope C7 et anisotrope C8 sont présentées dans le Tableau 1. TABLEAU I Exemple Echantillon #R #0.2 #R E (MPa) (MPa) (%) (GPa) Matrice Al-6061 330 287 6.2 69 Matnce A9 60 10 31 62 1 C1 477 410 1.0 104 C2 437 366 1.5 104 2 C3 169 87 5,5 95 C4 177 85 11 93 3 C5 477 410 1.0 104 C6 376 321 2.0 94 4 C7 160 75 5,8 93 C8 148 70.5 12 81 aR Résistance à la rupture #0,2 Contrainte à 0,2 % de déformation #R Allongement à la rupture E Moduie d'Young REVENDICATIONS 1. Matériau composite à matrice métallique renforcée par des particules orientées d'alumine caractérisé en ce que les particules sont monocristallines. 2. Matériau selon la revendication 1 caractérisé en ce que les particules présentent un rapport d'aspect variant de 3 à 100. 3. Matériau selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les particules sont essentiellement constituées d'alumine a. 4. Matériau selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les particules se présentent sous la forme de plaquettes essentiellement hexagonales. 5. Matériau selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la matrice métallique est choisie parmi l'aluminium, le magnésium et les alliages essentiellement à base d'aluminium ou de magnésium. 6. Matériau selon la revendications 5 caractérisé en ce que la matrice métallique est un alliage AI6061. 7. Matériau selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la fraction volumique des particules est comprise entre 5 et 60 %. 8. Procédé de préparation d'un matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il consiste à a) infiltrer une préforme comprenant des particules d'alumine monocristallines avec un métal à l'état fondu b) orienter les particules de renfort du matériau composite ainsi obtenu. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'on réalise l'infiltration de la préforme sous une pression inférieure à 10 MPa. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que la préforme présente une porosité comprise entre 40 et 95 %. Il. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que la préforme est constituée d'alumine a se présentant sous forme de plaquettes essentiellement hexagonales. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11 caractérisé en ce que l'orientation des particules est réalisée par laminage ou extrusion. 13. Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que l'on opère à une température comprise entre 213 Tf et Tf, Tf étant la température de fusion de la matrice métallique.