Brevet FR2723592A1 — publié le 19960216

MATERIAU COMPOSITE A MATRICE INTERMETALLIQUE AYANT UNE DUCTILITE ET UNE TENUE AU VIEILLISSEMENT AMELIOREES. DESCRIPTION La présente invention a pour objet la réalisation de matériaux composites à matrice intermétallique présentant une ductilité et une tenue au vieillissement améliorées. Elle s'applique à la réalisation de matériaux composites comportant une matrice intermétallique comprenant de l'aluminium et un autre métal, associée à un renfort fibreux ou particulaire céramique, par exemple formé de fibres de carbure de silicium ou de fibres de carbones. Des matériaux composites de ce type sont destinés à être utilisés dans des domaines o l'on recherche des propriétés thermo-mécaniques élevées, notamment dans les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatiale. Dans ces domaines l'emploi de matrices intermétalliques, par exemple à base d'aluminure de nickel de type AINi, est particulièrement intéressant car celles-ci présentent une faible densité, 5,9 par exemple dans le cas de AiNi, par rapport à celle, 9 par exemple, des superalliages à base de nickel généralement utilisés pour ces applications. Ces matrices intermétalliques présentent de plus, une meilleure rigidité et une meilleure résistance à la rupture spécifique ainsi qu'une meilleure résistance au fluage. En revanche leur ductilité à la température ambiante est trop faible, et il en résulte une fragilité de la matrice du matériau composite lorsque celui-ci est soumis a des cycles thermiques ou à des maintiens isothermes de longue durée ou à haute température. Les techniques connues pour améliorer la ductilité à la température ambiante de composés intermétalliques du type AlNi consistent à leur ajouter en faible quantité des éléments tels que le gallium et le fer ou le bore, comme il est décrit dans EP-A- 0502655 et EP-A-0502656. Selon la présente invention, on utilise une autre voie pour améliorer les propriétés thermomécaniques d'un matériau composite comportant une matrice intermétallique à base d'aluminure métallique, ayant une faible ductilité à la température ambiante. Dans les matériaux composites à matrice intermétallique, la rupture est initiée par la fissuration des produits de réaction entre le renfort fibreux et la matrice intermétallique. Cette fissuration intervient pour de faibles contraintes appliquées, du fait de la nature fragile et de la croissance non contrôlée des produits impliqués, ainsi que de l'état de contraintes résiduelles auxquelles ils sont soumis. Cette fissuration entraîne celle de la matrice à laquelle ces produits sont fortement liés, l'ensemble du matériau composite se trouve donc prématurément endommagé. Selon l'invention, on évite cet endommagement de l'ensemble du matériau en limitant la propagation des fissures dans la matrice intermétallique. Ainsi, l'invention a pour objet un procédé pour limiter la propagation de fissures dans la matrice d'un matériau composite comportant une matrice intermétallique à base d'aluminure métallique et un renfort fibreux ou particulaire, caractérisé en ce que l'on dispose à l'interface entre le renfort fibreux ou particulaire et la matrice une couche d'un matériau métallique réfractaire ayant une ductilité supérieure à celle de la matrice intermétallique et ne réagissant pratiquement pas avec celle-ci. Selon l'invention, on entend par métal réfractaire un métal ayant un point de fusion supérieur ou égal à 1200 C. Dans l'invention, la présence, entre la matrice et les fibres, d'une interface synthétique constituée d'un métal réfractaire possédant une grande ductilité, permet d'éviter la propagation des fissures dans la matrice. En effet la fissuration des produits créés par la réaction entre le renfort fibreux et le métal réfractaire ductile se trouve découplée de la matrice. L'énergie associée à la progression de la fissure est en effet relaxée par déformation plastique du métal ductile de l'interface, la matrice ne s'endommage plus prématurément mais uniquement lorsque ses limites intrinsèques sont atteintes, pour des contraintes appliquées au matériau composite nettement plus élevées. Le matériau métallique réfractaire utilisé pour la réalisation de cet interface, doit présenter une ductilité supérieure à celle de la matrice, et être compatible chimiquement avec la matrice et le renfort fibreux. Par ailleurs, pour remplir le mieux possible son rôle, il est de préférence choisi de plus en fonction d'autres critères mécaniques (rigidité, résistance à la rupture), physiques (coefficient de dilatation thermi que), et thermiques (aptitude au fluage, température de fusion), de manière à retarder l'effet d'entaille de la zone d'interaction entre les fibres du renfort fibreux et la matrice intermétallique sur la fissuration de celle-ci, tout en assurant une liaison entre les fibres et la matrice pour permettre le transfert des efforts mécaniques entre les constituants principaux du matériau composite. La ductilité du matériau métallique réfractaire ainsi que celle de la matrice intermétallique peuvent être évaluées par un essai de traction en déterminant l'allongement à la rupture des matériaux. Pour convenir dans l'invention, il est nécessaire que le matériau métallique réfractaire présente dans cet essai un allongement à la rupture supérieur à 1 % et de préférence d'au moins 2 %. Après vérification de cette propriété de ductilité supérieure, on vérifie que le matériau métallique est chimiquement compatible avec la matrice et le renfort fibreux à partir des données thermodynamiques disponibles. Ensuite, on choisit le matériau métallique répondant à ces deux critères, qui possède les meilleures propriétés mécaniques, physiques et thermiques. Les matrices intermétalliques utilisables dans l'invention sont en particulier les aluminures de nickel, les aluminures de titane et leurs mélanges avec des proportions mineures de métaux tels que le niobium, le vanadium, le molybdène. Les aluminures de nickel peuvent être du type AlNi, les aluminures de titane peuvent être du type Ti Al et Ti3 Al. Avec ces matrices intermétalliques en aluminure de titane ou en aluminure de nickel, on utilise avantageusement le niobium comme matériau métallique réfractaire. On peut bien entendu utiliser soit du niobium pur, soit un alliage de niobium à forte teneur en niobium. D'autres métaux réfractaires susceptibles de convenir avec ces matrices sont par exemple Pd, Pt, Ta et leurs alliages. Les renforts céramiques utilisés avec des matrices intermétalîques à base d'aluminure de titane ou d'aluminure de nickel, peuvent être de différents types. Ainsi, on peut utiliser des fibres de A1203, SiC et Carbone. Ces renforts peuvent être sous la forme de fibres unitaires, de tissus unidirectionnels ou multidirectionnels, de non tissés, de fibres courtes ou de particules. De préférence, le renfort est constitué de fibres de carbure de silicium. L'utilisation de niobium comme matériau métallique réfractaire ductile convient avec ce type de renfort fibreux. Selon l'invention l'épaisseur de la couche de matériau métallique réfractaire disposée entre le renfort fibreux et la matrice intermétallique est choisie en fonction de sa réactivité vis-à-vis du renfort et de la maurice. Généralement des épaisseurs de 0,1 à 15 gm sont appropriées. Le maèer au composite de l'invention comportant cette couche d'adaptation en matériau métallique réfractaire peut être élaborée par des procédés classiques permettant d'associer la matrice intermétallique au renfort fibreux tout en interposant la couche d'adaptation. Cette couche peut être interposée sous la forme de feuillards d'épaisseur variable entre les fibres et la matrice. Elle peut aussi être déposée sur la matrice ou sur la fibre par des méthodes physiques telles que l'évaporation thermique, la pulvérisation cathodique et le dépôt chimique ou physique en phase vapeur ou des méthodes électrochimiques telles que l'électrolyse dans un sel fondu. Le choix de la technique utilisée permet d'avoir une couche d'adaptation sous forme de feuilles continues ou sous la forme d'un revêtement concentrique autour des fibres. Pour la fabrication du matériau composite, on peut utiliser des techniques de densification à chaud en phase solide, des techniques de fonderie à haute température, des techniques de projection au moyen d'un plasma ou encore un procédé mixte associant les techniques de fonderie à haute température et les techniques de métallurgie de poudres. Par ailleurs, le renfort fibreux utilisé peut comporter un revêtement intermédiaire, par exemple de pyrocarbone, ou de TiBx en vue de le protéger des agressions chimiques et mécaniques extérieures. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la ficure 1 est une micrographie illustrant les fissurations de la matrice intermétallique d'un matériau composite ne comportant pas la couche d'adaptation conforme à l'invention, - la figure 2 est un diagramme illustrant l'allongement relatif (en %) en fonction des contraintes appliquées (en MPa) d'un matériau composite ne comportant pas la couche d'adaptation de l'invention, - la figure 3 est une micrographie d'un matériau composite conforme à l'invention, -7 - la figure 4 est une micrographie d'un matériau composite conforme à l'invention, illustrant le confinement de la zone de réaction entre le renfort fibreux et la couche d'adaptation, - la figure 5 est un diagramme illustrant l'allongement relatif (en %) d'un matériau composite conforme à l'invention en fonction des contraintes appliquées (en MPa), et - la figure 6 est une micrographie d'un matériau composite conforme à l'invention mettant en évidence la rupture ductile de la couche d'adaptation. Exemple 1 Dans cet exemple on prépare un matériau composite conforme à l'art antérieur en utilisant comme matrice intermétallique une matrice ayant la composition suivante: Ti3Al-lONb-3V-lMo, et un renfort fibreux unidirectionnel constitué de fibres de carbure de silicium SCS6 de 140 Am de diamètre, protégées par un revêtement externe de pyrocarbone de 4 pm d'épaisseur. Le matériau est préparé de façon classique par pressage à chaud de feuilles de matrice et de fibres à une température de 1050 C, sous une pression de 100 MPa. Dans ce cas, la couche d'adaptation entre la matrice intermétallique et les fibres est constituée par le pyrocarbone. Lorsque ce matériau est porté à haute température, pendant 100 heures à 800 C, le carbone de la couche d'adaptation réagit avec la matrice pour former des carbures de titane et la zone de réaction reste liée à la matrice. Lors d'un refroidissement ou d'un essai de traction, la microfissuration de la zone de réaction entraîne une fissuration de la matrice comme on peut le voir sur la figure 1. Sur cette figure 1, on voit que les fibres 1 sont disposées dans une matrice intermétallique 3, l'interface entre les fibres et la matrice étant constitué par les zones de réactions 5. Sur cette figure on peut voir que la matrice intermétallique comprend un grand nombre de fissures. La figure 2 représente les caractéristiques en tension du matériau composite précédent, c'est-à- dire l'allongement relatif (en %) du matériau composite en fonction de la contrainte appliquée (en MPa), après que celui-ci ait subi le traitement de recuit pendant heures à 800 C décrit précédemment. Sur cette figure, on remarque que les caractéristiques d'allongement sont relativement faibles et que le matériau présente une faible ductilité. Exemple 2 Dans cet exemple, on prépare un matériau composite conforme à l'invention en suivant le même mode opératoire que dans L'exemple 1, mais en disposant de plus, entre les fibres de carbure de silicium recouvertes de pyrocarcone et la matrice, des feuilles de 7 pm d'épaisseur de niobium. On consolide l'ensemble par pressage à chaud. Le matériau ainsi obtenu est donc constitué d'une matrice a base d'aluminure de titane renforcée unidirectionne!Ilement de 40 % de fibres de SiC du type SCS6, ces deux constituants étant séparés par une couche d'adaptation en niobium qui joue alors le rôle d'une interface réfractaire ductile. La figure 3 est une micrographie illustrant la structure du matériau composite obtenu qui comprend des fibres 1 de SiC munies d'une couche d'adaptation en niobium 7 disposée dans une matrice intermétallique 3. La figure 4 est une micrographie qui illustre la zone de réaction entre les fibres et le niobium après une recuit de 25 heures à 1000 C. Sur cette figure on voit la fibre 1, la couche de pyrocarbone 5, la couche de niobium 7, et la zone de réaction 9. Les fissurations dans les produits de réaction 9 entre la fibre 1 et le métal 5 sont alors émoussées dans la couche de niobium et ne se propagent plus dans la matrice. Sur la figure 5 on a représenté le comportement à la traction du matériau composite ainsi obtenu après qu'il ait subi un recuit pendant 100 heures à 800 C. Cette figure qui illustre l'allongement relatif (en %) en fonction de la contrainte appliquée (en MPa) montre que le matériau présente une résistance et un allongement à la rupture en traction très supérieurs à ceux du matériau ne comportant pas la couche d'adaptation en niobium. Sur la figure 6, on a illustré une micrographie du matériau après l'essai de traction qui met en évidence la rupture ductile du niobium. Sur cette figure on voit la fibre 1 et la couche de niobium 7. REVENDICATIONS 1. Procédé pour limiter la propagation de fissures dans la matrice d'un matériau composite comportant une matrice intermétallique à base d'aluminure métallique et un renfort fibreux ou particulaire, caracterise en ce que l'on dispose à l'interface entre le renfort fibreux ou particulaire et la matrice une couche d'un matériau métallique réfractaire ayant une ductilité supérieure à celle de la matrice intermétallique et ne réagissant pratiquement pas avec celle-ci. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matrice intermétallique est à base d'aluminure de titane ou d'aluminure de nickel, et en ce que le matériau métallique réfractaire est le niobium. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau métallique réfractaires est de 0,1 à 15 pnm. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le renfort est constitué de fibres de carbure de silicium. 5. Matériau composite comprenant une matrice intermétall!cue à base d'aluminure métallique renforcée par des fibres de matière céramique, caractérisé en qu'il comprend à l'interface entre les fibres et la matrice une couche de matériau métallique réfractaire présentant une ductilité supérieure à celle de la matrice intermétallique pour empêcher la propagation dans celle-ci de fissures susceptible de se former à l'interface entre la matrice et les fibres. 6. Matériau composite selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matrice intermétallique est à base d'aluminure de titane ou de nickel et en ce que le matériau métallique réfractaire est le niobium. 7. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce les fibres sont en carbure de silicium. 8. Matériau composite selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en que l'épaisseur de la couche de matériau métallique réfractaire est de 0,1 à 15 Pm.