Brevet FR2724924A1 — publié le 19960329

PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'UNE CERAMIQUE A BASE DE NITRURE DE BORE AVEC UNE AUTRE CERAMIQUE IDENTIQUE OU AVEC UN SUBSTRAT EN ALLIAGE METALLIQUE REFRACTAIRE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention a pour objet un procédé pour réaliser un assemblage réfractaire entre deux céramiques en nitrure de bore ou entre une céramique en nitrure de bore et un substrat en alliage métallique réfractaire. Elle trouve une application dans le domaine du brasage à haute température (de l'ordre de 900 à 15000C). Etat de la technique Pour l'assemblage de céramiques, les techniques classiques de soudage qui font intervenir un faisceau d'énergie (par exemple soudage TIG, soudage laser, etc.) ne peuvent être utilisées du fait de la difficulté à faire fondre des céramiques. Les deux techniques généralement utilisées par l'homme du métier pour réaliser des assemblages réfractaires de céramiques sont donc le soudage par diffusion en phase solide et le brasage réactif. L'un des procédés connus de soudage par diffusion en phase solide consiste en un pressage uniaxial. Une telle technique de soudage permet uniquement l'assemblage de pièces ayant des formes simples. Son utilisation est donc très limitée. Un autre procédé de soudage par diffusion en phase solide consiste en une compression isostatique à chaud. Une telle technique nécessite de nombreuses préparations : fabrication d'une enveloppe, fermeture étanche sous vide, compression isostatique à chaud, et usinage final de l'enveloppe. L'application d'un tel procédé à l'assemblage d'une pièce de céramique en nitrure de bore avec un composé intermétallique Ni3AI est décrite dans l'article intitulé "Interfacial reaction of BN/Ni3Al" de T. C. CHOU, publié dans Appl. Physique Letters, vol. 53, nO 16 du 17 octobre 1988. La technique de brasage réactif utilise des brasures, généralement disponibles dans le commerce, pour assembler des céramiques. Ces brasures comportent pour la plupart une matrice de type AgCu (argent cuivre) à laquelle est ajouté du titane Ti pour promouvoir la liaison avec les pièces à assembler. Les demandes de brevets US-A-4 711 386, FR-A-2 285 213 et GB-A-2 141 370 décrivent toutes trois des procédés pour braser des pièces de céramique en nitrure de bore au moyen d'une brasure de type AgCu + Ti. Chacune de ces demandes de brevet propose untraitement de la surface à braser différent. Cependant, un tel alliage de brasage (ou brasure) AgCu + Ti ne supporte qu'une température de fusion d'environ 650 à 780"C. En conséquence, les pièces assemblées selon cette technique de brasage réactif ne peuvent supporter qu'une température de service d'au plus 400 ou 5000C, ce qui ne peut être considéré comme du domaine des hautes températures. Le brevet US-A-4 321 100 décrit un procédé de brasage utilisant un mélange de di-siliciures de molybdène avec un composé organique. Or, ce mélange est trop réfractaire (température de brasage supérieure à 1 5000C) pour la plupart des applications concernant le nitrure de bore. Par conséquent, les joints ainsi réalisés sont fragilisés par les contraintes résiduelles induites par les écarts des coefficients de dilatation entre les matériaux à assembler. En conséquence, aucun de ces procédés ne permet d'assembler des pièces de céramique en nitrure de bore par un brasage direct utilisant une brasure réactive. Par ailleurs, la demande de brevet EP-A-0 104 063 décrit un procédé de brasage après métallisation de la pièce de céramique à assembler. Ce procédé consiste à déposer une couche de métal non-actif sur la pièce de céramique puis à effectuer la fusion d'un mélange de poudres réactives (par exemple à base de Tantale) sur la première couche déposée. Il consiste ensuite à effectuer le brasage des pièces à assembler au moyen d'un alliage non-réactif. Cependant, la mise en oeuvre d'un tel procédé est relativement complexe et délicate puisqu'elle nécessite la manipulation de poudres hautement réactives. Le brevet US-A-3 926 571 décrit également un procédé d'assemblage de pièces de céramique en nitrure de bore. Ce procédé consiste en une métallisation par hydrure puis un brasage des pièces decéramique. La métallisation par hydrure nécessitant une atmosphère réductrice (H2), ce procédé d'assemblage est donc complexe et délicat à mettre en oeuvre. Par ailleurs, l'article "Heat-and oxidation résistant joints by active brazing" de E. LUGSCHEIDER paru dans "Joining ceramics glass and metal" en Mai 1993, décrit un procédé de brasage de céramiques en nitrure de silicium. Ce procédé consiste en une métallisation de la pièce à assembler avec un composé AgCu + Ti puis en un brasage réfractaire non-réactif effectué à 1 2000C au moyen d'une brasure de matrice PdNi. Or, cette métallisation n'adhère pas sur les céramiques en nitrure de bore. Ce procédé ne peut donc être mis en oeuvre pour assembler des céramiques en nitrure de bore. Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques précédentes. A cette fin, elle propose un procédé d'assemblage de pièces de céramique en nitrure de bore par brasage à très haute température après métallisation de la surface de l'une des pièces. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé pour réaliser un assemblage réfractaire d'une pièce de céramique en nitrure de bore (BN) avec un substrat de cette même céramique ou d'un alliage métallique réfractaire. Ce procédé se caractérise par le fait qu'il consiste, sous atmosphère neutre - à métalliser au moins une face de la pièce de céramique ; et - à braser la pièce de céramique métalliseeavec le substrat au moyen d'une brasure réactive à base d'or. Selon l'invention, l'opération de métallisation est réalisée à une température d'environ 900 à 950"C et l'opération de brasage est réalisée à une température au moins égale à 9500C. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'opération de métallisation est réalisée dans un four avec un alliage à base de titane (Ti). Selon une caractéristique de l'invention, les opérations de métallisation et de brasage sont effectuées sous vide avec une pression d'environ 10-5 mbar. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention Le procédé selon l'invention consiste à assembler de façon réfractaire une pièce de céramique en nitrure de bore avec une seconde pièce de cette même céramique ou bien une pièce d'un alliage métallique réfractaire comportant, par exemple, du titane, du molybdène, du tungstène ou encore des bases nickel. Pour une meilleure compréhension du texte, on désignera par "substrat", la seconde pièce de céramique ou la pièce en alliage métallique réfractaire. Le procédé selon l'invention consiste tout d'abord à métalliser la surface de la pièce en céramique à assembler au substrat. Cette opération de métallisation consiste à recouvrir la surface de la pièce de céramique d'une couche d'un alliage à base d'argent (Ag) et de cuivre (Cu) auxquel est ajouté du titane (Ti) pour former un composé de métallisation. Ce composé AgCu + Ti a l'avantage d'être disponible dans le commerce, ce qui ne nécessite, de ce fait, aucune fabrication particulière. Pour permettre le dépôt d'une couche de ce composé AgCu + Ti, ledit composé est tout d'abord fondu dans un four sous atmosphère neutre, puis déposé sur la surface de la pièce en nitrure de bore. De préférence, la température choisie pour la fonte de l'alliage est comprise entre 900 et 9500C de façon à permettre une réaction du nitrure de bore (NB) qui est, comme le sait l'homme de métier, un matériau très difficile à mouiller. Une telle opération de métallisation a pour principal but d'assurer la création, dans la pièce en nitrure de bore, d'une zone de réaction contrôlée entre le titane et le nitrure de bore, c'est-à-dire d'une zone sans porosités, ni quantités importantes de composés fragilisants. Cette opération de métallisation a été décrite pour un dépôt de AgCu + Ti. Toutefois, l'homme de l'art comprendra aisément que l'opération de métallisation de cette pièce en nitrure de bore peut se faire avec de nombreux autres alliages dans un four ou au moyen de toutes autres techniques de métallisation telles que les dépôts PVD Spray ou cVD suivis de recuits. En outre, l'opération de métallisation décrite est réalisée sous atmosphère neutre, c'est-à-dire sous atmosphère de gaz neutre (en présence d'Ar, He ou Xe). Néanmoins, pour une mise en oeuvre plus aisée dans les installations industrielles, elle peut être réalisée sous vide secondaire, c'est-à-dire sous un vide d'une pression avoisinant 10-5 mbar. Le procédé selon l'invention consiste, de plus, en une opération de brasage de la pièce en nitrure de bore avec le substrat. Avantageusement, cette opération s'effectue en atmosphère neutre ou sous vide secondaire comme expliqué ci-dessus. Selon l'invention, ce brasage est réalisé au moyen d'un alliage à base d'or tAu), à une température comprise entre 900 et 1 5000C. Cet alliage à base d'or (qui constitue la brasure) peut être, par exemple du AuNi, AuPd, AuCu ou encore de l'or pur. L'or ayant la propriété d'être inoxydable, son utilisation dans un alliage de brasage a pour avantage de rendre l'assemblage très peu sensible à la corrosion, et en particulier à l'oxydation à haute température. De préférence, l'opération de brasage selon l'invention est réalisée à une température de brasage comprise entre 9500C et 1 2000C. En effet, une brasure réfractaire réalisée à une telle température permet d'obtenir des joints entre la pièce en nitrure de bore et le substrat qui sont mécaniquement résistants à de hautes températures, ce qui signifie que la température de service pour un tel assemblage peut avoisiner les 500 C, voire les 800"C. Le procédé qui vient d'être décrit peut être mis en oeuvre pour différentes sortes de nitrures de bore. En effet, comme pour la plupart des matériaux non-métalliques, il est difficile de fabriquer des pièces de forme complexe. Aussi est-il généralement préférable de fabriquer des structures à partir d'éléments en céramique de formes simples, puis d'assembler ces éléments par des assemblages BN/BN ou BN/métal selon le procédé de l'invention. Or, ces éléments peuvent être réalisés à partir de différentes sortes de nitrure de bore. Ces éléments peuvent, par exemple, être réalisés dans un composé HBC (Hot Pressed Boron Nitride, en terme anglosaxon), commercialisé par la Société Union Carbide. Ce composé est un nitrure de bore pressé à chaud, de la plus haute pureté actuellement disponible sur le marché. Ce composé HBC ayant une constante diélectrique basse et une reprise d'humidité nulle, il constitue un matériau idéal pour des applications en hyperfréquences, telles que des fenêtres d'antennes, des substrats ou encore des isolateurs électriques. Ces éléments peuvent aussi être réalisés à base de nitrure de bore de grade M26 commercialisé par la Société Carborendum. Ce composé est en fait un nitrure de bore chargé en silice, possédant une tenue mécanique sensiblement renforcée (par rapport au HBC). Ce composé M26 est facile à usiner et combine une bonne conductibilité thermique avec une excellente isolation électrique. Il possède en outre une bonne tenue à l'érosion par plasma. Il constitue, de ce fait, un bon matériau pour réaliser des chambres à accélération de particules, par exemple dans les moteurs spatiaux de satellites. Ces éléments en céramiques peuvent en outre être réalisés à partir du composé PBN (Pyrolytic boron nitride, en termes anglosaxons), commercialisé par la Société UNION CARBIDE. Ce composé, qui a la propriété d'être fortement anisotrope, est un matériau intéressant pour l'industrie électronique et souvent utilisé sous forme de creuset réfractaire pour la cristallogénèse. Ces éléments de formes simples peuvent aussi être réalisés en nitrure de bore cubique, connu de l'homme de l'art pour sa dureté et souvent utilisé pour la fabrication d'outillage destiné à l'usinage de l'acier. Un premier exemple d'application du procédé de l'invention va maintenant être décrit. Il consiste en l'assemblage d'une pièce de céramique en HBC avec un substrat en tungstène pur (W). L'opération de métallisation de la surface de la pièce en HBC est effectuée avec un alliage TiCuSil (commercialisé par la Société WESGO) qui comporte 68,8 % d'argent, 26,7 % de cuivre et 4,5 % de titane. Cette métallisation est réalisée sous vide secondaire, dans un four à 9500C avec une durée de palier de cinq minutes. La couche métallisée (nommée aussi feuillard de brasure) déposée pour recouvrir la surface de la pièce en HBC a une épaisseur de 75 um. L'opération de brasage est ensuite effectuée avec l'alliage Nioro (commercialisé par la Société WESGO) qui comporte 82 e d'or et 18 % de nickel. Le brasage est réalisé sous vide secondaire, à une température de 980"C et avec une durée de palier de cinq minutes. La brasure obtenue est prise en "sandwich" entre la surface métallisée et le substrat en tungstène ; elle a une épaisseur de 100 um Dans un second exemple d'application du procédé de l'invention, une pièce de HBC est assemblée avec un substrat en tungstène pur. L'opération de métallisation est tout à fait identique à celle du premier exemple. L'opération de brasage peut être effectuée avec une brasure constituée d'or pur. Le brasage est réalisé sous vide secondaire à une température de 1 200"C, avec une durée de palier de cinq minutes. Pour cet assemblage BN/W réalisé à l'or pur, un test mécanique en cisaillement a été réalisé pour tester la liaison entre la pièce en HBC et le substrat en tungstène. La rupture de la liaison a été constatée pour une force de 28 MPa qui correspond sensiblement à la force de rupture du nitrure de bore. Dans un troisième exemple d'application du procédé de l'invention, une pièce de HBC est assemblée avec un substrat en tungstène. L'opération de métallisation est également similaire à celle du premier exemple. L'opération de brasage est réalisée sous vide secondaire avec une brasure en alliage paloro (commercialisé par WESGO), comportant 92 % d'or et 8 % de palladium et portée à une température de 1 2600C avec une durée de palier de cinq minutes. Le procédé de l'invention tel que décrit précédemment permet donc de réaliser des joints d'assemblage mécaniquement résistants à des températures de l'ordre de 500 à 800"C. Il a en outre l'avantage de permettre l'utilisation de brasures disponibles dans le commerce (par exemple l'alliage AgCu + Ti, etc.), d'où un coût de brasage tout à fait intéressant. On ne sortirait pas du brevet si à la place du titane, on utilisait du zirconium ou du hafnium qui sont des métaux aux propriétés physico-chimiques très voisines de celles du titane. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser un assemblage réfractaire d'une pièce de céramique en nitrure de bore avec un substrat de cette même céramique ou d'un alliage métallique réfractaire, caractérisé en ce qu'il consiste, sous atmosphère neutre - à métalliser au moins une face de la pièce de céramique ; et - à braser la pièce de céramique métallisée avec le substrat au moyen d'une brasure réactive à base d'or. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de métallisation est réalisée dans un four avec un composé à base de titane (Ti) ou de Zr ou de Hf. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération de métallisation est réalisée à une température d'environ 900 à 950"C. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'opération de brasage est réalisée à une température au moins égale à 950oC. 5. Procédé selon 1'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les opérations de métallisation et de brasage sont effectuées sous vide avec une pression d'environ 10-5 mbar.