Brevet FR2715881A1 — publié le 19950811

Procédé de fabrication de matériaux composites à matrice métallique ainsi que dispositif pour sa mise en oeuvre L'objet de la présente invention est un procédé de fabrication de matériaux composites à matrice métallique ainsi qu'un dispositif pour sa mise en oeuvre. Les matériaux composites à matrices métalliques (Metall Matrix Composites MMC) sont des matériaux pour lesquels un matériau de renforcement non métallique et un métal se présentent intimement mélangés dans des proportions différentes. Le matériau de renforcement peut se présenter sous la forme de particules, de fibres, ou de corps poreux entourés de métal ou bien infiltrés avec du métal. Par le choix du type, de la forme, de la quantité, de la porosité du matériau de renforcement ainsi que du type des métaux d'infiltration, on peut faire varier les propriétés mécaniques, électriques, et thermiques du matériau produit, d'une manière correspondant aux exigences posées. Un type connu de matériaux MMC est obtenu par infiltration d'un corps poreux en matériau de renforcement par le matériau rendu liquide par la fusion. Le plus souvent, les objets souhaités en matériau MMC sont fabriqués directement à la forme des corps moulés souhaités. Les préformes sont alors placées sous vide, puis infiltrées à température élevée avec exposition à une pression, par le métal rendu liquide par la fusion. Le refroidissement s'effectue toujours sous pression, du fait que le matériau de renforcement est, en règle générale, mal mouillé par le métal et que le métal en corps liquide sourdrait du pré- moule de nouveau lors du refroidissement s'il n'y avait pas l'effet de la pression. Il est usuel de mettre en oeuvre ce procédé dans un dispositif unique. Il doit pas conséquent s'avérer tant étanche au vide qu'également résistant à la pression. La dépression ou vide appliqué lors du pré-traitement sous vide est en règle générale de l'ordre de grandeur de 0,1 mbar à 0,01 mbar. La pression de gaz pendant le processus d'infiltration peut être de plus de 100 MPa. La différence de pression à laquelle est ainsi exposé le dispositif est de ce fait considérable. En plus de cela, le récipient doit être pourvu d'un dispositif de chauffage pour atteindre les températures de fusion nécessaires des métaux utilisés. De tels dispositifs multi-fonctionnels s'avèrent coûteux à fabriquer, demander un entretien coûteux et être sujets à panne. Les coûts de fabrication des matériaux MMC sont de ce fait extraordinairement élevés. De manière surprenante, il s'est avéré, et ceci est également l'objet de la présente invention, que le matériau de renforcement se présentant comme une préforme, sans traitement préalable sous vide, peut être infiltré par une exposition et la pression d'un gaz, seul par le métal fondu, suite à quoi le compositeproduit est laissé refroidir sous pression, comme ce qui est fait dans les procédés antérieurs. Les avantages d'un tel procédé sont considérables. Il y a surpression de l'ensemble de l'installation de vide et le procédé se déroule de nouveau en une étape. Selon une forme de réalisation de l'invention, pour recevoir la préforme on utilise un support en matériau poreux qui reçoit pendant le traitement sous pression les gaz refoulés hors de la préforme, suite à l'infiltration du métal. A cette fin, on peut utiliser des supports en graphite ou en céramique poreuse. Il est cependant connu que de tels supports de préforme le plus souvent ne sont utilisables qu'une seule fois. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, on peut utiliser, pour recevoir la préforme, un support en acier ou en céramique étanche au gaz tel que par exemple le titanate d'aluminium, le support présentant le cas échéant des parties réalisées en un matériau poreux. L'avantage particulier de tels supports de préforme réside dans leur possibilité de réutilisation. L'acier et le titanate d'aluminium ne sont pas poreux et le gaz contenu à l'origine dans la préforme reste à l'intérieur de celle- ci. On peut cependant calculer, à l'aide de la formule de la loi des gaz parfaits (pV = nRT), que, pour cette variante de procédé, les volumes de gaz inclus dans la préforme du fait de pression et des températures mises en oeuvre lors du procédé font dans le produit final à peine 0,5 % du volume total. Ceci est donc plutôt négligeable, en particulier du fait que les pièces façonnées fabriquées sont à peine exposées à une sollicitation mécanique forte comme à une traction, une pression, une flexion. Dans le cas o par conséquent, par exemple du fait de l'homogénéité accrue, on souhaite avoir un volume de gaz très faible, on peut prévoir des parties supports en matériaux poreux pour recevoir le gaz. Ce calcul peut donner dans le détail, à l'aide des valeurs ci-après prises à titre d'exemple, les résultats ci-après: - taille de préforme 2,54 x 2,54 cm, épaisseur 0,1 cm; - porosité de la préforme 30 % en volume; température d'infiltration 700 C; - pression d'infiltration: 70 bar. En utilisant les paramètres cités ci-dessus, on obtient, après achèvement du procédé pour la plaquette prise comme exemple, dont le volume est d'à peu près 645 mm3, un volume de gaz résiduel de 2,81 mm3- Ceci correspond à peu près à 0,43 % du volume de la plaquette, ou bien à un cube d'arête 1,41 mm ou à une sphère d'un diamètre de 1,75 mm. Les pressions utilisées lors des processus d'infiltration sont en règle générale de l'ordre de 60 bar à 140 bar de préférence de 60 bar à 80 bar. La pression citée ci-dessus, d'à peu près 70 bar, est particulièrement préférée. La température d'infiltration est choisie selon le métal utilisé. Elle est par exemple d'à peu près 800 C dans le cas de l'aluminium. Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, on utilise de préférence une préforme d'une porosité de 10 % en volume à 30 % en volume. Dans des cas spéciaux, on utilise une préforme d'une porosité de 20 % en volume à 25 % en volume. Selon une forme de réalisation préférée de ce procédé on peut travailler en opérant à balayage avec un gaz inerte, de préférence un gaz rare. Le procédé selon l'invention convient en particulier pour des préformes qui sont constituées essentiellement de particules de carbure de silicium, de de nitrure d'aluminium,Vnitrure de silicium, carbure de bore ou en fibres de carbone ou céramiques. On préfère comme métal d'infiltration un métal appartenant au groupe de l'aluminium, du magnésium, du cuivre, du silicium du fer ou de leurs alliages. Le procédé selon l'invention ainsi que les dispositifs selon l'invention sont expliqués plus en détail à l'aide du dessin annexé dans lequel: la figure la représente un dispositif 1 complet utilisé pour la fabrication des corps moulés de type MMC. A l'intérieur du dispositif 1 se trouve un support de préforme 2 destiné à recevoir la préforme 3. La préforme 3 est constituée du matériau de renforcement disposé de la manière souhaitée. L'ensemble de ce dispositif est logé dans un creuset 6. Le dispositif 1 est obturable à l'aide du couvercle 7, de sorte que de la pression, venant d'une source de pression 10, peut être appliquée au dispositif. Au bord du support de préforme 2 est situé un bloc ou dispositif d'alimentation 4 en matériau destiné à être porté à fusion. Sous l'influence du chauffage 5, le métal est porté à fusion et, sous l'effet de la pression, il est introduit dans la préforme, le chauffage 5 est ensuite mis hors service et le métal est laissé solidifier sous pression. La figure lb représente une variante de réalisation du dispositif de la figure la, dans laquelle le chauffage est supprimé. Ici le métal 11, fondu en un autre lieu, est coulé sur la préforme 3, le couvercle 7 étant ensuite fermé, l'intérieur du dispositif est exposé à une pression au moyen de la source de pression 10, faisant que le métal liquide est introduit sous pression dans la préforme et le métal est laissé se solidifier. La figure 2a représente un détail à l'intérieur du dispositif 1 de la figure 1, dans une autre forme de réalisation. Des numéros de référence identiques ont été choisis pour désigner des parties équivalentes. Dans un support de préforme 2 est inséré-de nouveau la préforme 3. Sur le support de préforme 2 est situé un recouvrement 8 avec des perçages 9, support sur lequel de son côté le dispositif d'alimentation 4 est appliqué. Le creuset 6 entoure le support de préforme 2 par ses embouts d'entrée et de sortie. Sous l'effet du chauffage 5, le métal d'alimentation fond, arrive par les ouvertures 9 sur la préforme 3, et le matériau de renforcement s'infiltre sous l'effet de la pression fournie par la source de pression 10, lorsque le couvercle 7 est fermé. La figure 2b représente une variante de réalisation par rapport à la figure 2a, dans laquelle on travaille sans chauffage. Le métal 11 ayant été fondu en un autre lieu est coulé sur le recouvrement, le couvercle 7 étant ensuite fermé et, en exposant à une pression au moyen de la source de pression 10, le métal liquide est pressé dans la préforme et le métal lui même est laissé solidifier. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de matériaux composites à matrice métallique, dans lequel un matériau de renforcement réalisé en préforme (3) est infiltré seul avec un métal rendu liquide par la fusion, sans traitement sous vide préalable de la préforme, par exposition à une pression de gaz, et est laissé se solidifier sous pression. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour recevoir la préforme, est utilisé un support (2) en matériau poreux qui reçoit pendant le traitement sous pression les gaz refoulés hors de la préforme suite à l'infiltration du métal. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise un support en graphite ou en céramique poreuse pour recevoir la préforme. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un support en acier ou en céramique étanche au gaz comme par exemple du titanate d'aluminium pour recevoir la préforme, le support présentant le cas échéant des parties réalisées en un matériau poreux. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on effectue l'infiltration à une pression de 60 bar à 140 bar, de préférence de 60 bar à 80 bar en particulier d'à peu près 70 bar. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise une préforme ayant une porosité de 10 % en volume à 30 % en volume, de préférence d'à peu près 20 % en volume à 25 % en volume. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on travaille avec balayage à l'aide d'un gaz inerte, de préférence un gaz rare. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise une préforme pratiquement en carbure de silicium, nitrure d'aluminium, nitrure de silicium, particules de carbure de bore ou en fibres de carbone ou céramique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on utilise comme métal d'infiltration un métal appartenant au groupe de l'aluminium, du magnésium, du cuivre, du silicium, du fer ou de leurs alliages. 10. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'est disposée, dans un récipient sous pression (1) pouvant être exposé à une source de pression (10), une préforme (3), disposée dans un support de préforme (2) et exposée à un métal liquide (11). 11. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un chauffage (5) est disposé dans le récipient sous pression. 12. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un recouvrement (8) est disposé sur le support de préforme (2).