Brevet FR2796579A1 — publié le 20010126

Préforme pour des composites à matrice de magnésium métallique L'invention concerne des préformes de renfort utilisées dans la production de composites à matrice métallique, ainsi que le métal renforcé résultant. De façon plus particulière, l'invention concerne des préformes utilisées pour fabriquer des composites à matrice de magnésium métallique. Il est bien connu que de nombreux métaux, notamment les métaux dits légers, lesquels comprennent généralement l'aluminium, le magnésium, et des alliages de chacun de ces métaux, tout en présentant beaucoup des avantages d'un métal, tels que l'aptitude au soudage, et l'avantage particulier d'un faible poids, présentent également l'inconvénient que leur résistance mécanique est relativement faible. Dans le passé, ceci a limité l'utilité de ces métaux. Un procédé proposé pour pallier cette difficulté a consisté à utiliser ces métaux sous la forme d'un composite de telle sorte que le composite fait plus que compenser l'insuffisance des propriétés mécaniques, physiques et autres. Des matériaux caractéristiques utilisés comme renfort dans un tel composite comprennent le carbone, le graphite, le carbure de silicium, le diborure de titane, le carbure de bore et le nitrure de bore. Des techniques pour fabriquer des composites à matrice métallique à partir aussi bien d'aluminium que de magnésium sont bien connues et ont été décrites par exemple dans US 4 279 289 ; US 4 715 442 ; US 4 995 444 et US 5 791 397. En gros, ces procédés impliquent une technique en deux étapes. Dans la première étape, on fait une préforme à partir du matériau de renfort, dont la cohésion est maintenue par un liant. Les liants couramment utilisés sont des matériaux céramiques, dont la silice est peut-être le plus courant. Le matériau de renfort est généralement revêtu du système de liant, et cuit ensuite à la fois pour éliminer en les brûlant des matériaux organiques utilisés pour faciliter le revête ment par le liant, et pour convertir le liant en silice. Dans la deuxième étape, la préforme est revêtue par le métal en fusion pour obtenir un matériau composite, de façon caractéristique en utilisant la technique dite de coulée sous pression, dans laquelle le métal en fusion est forcé sous une pression élevée dans la préforme dans un moule contenant la préforme. Bien que ces procédés donnent plus ou moins satisfaction avec l'aluminium et les alliages d'alumi nium, ils sont moins satisfaisants lorsqu'on les utilise pour fabriquer des composites dans lesquels le métal est le magnésium, ou un alliage contenant du magnésium. Les difficultés proviennent du fait que le magnésium en fusion est un matériau très réactif, ce qui a deux conséquences. La première est que l'utilisation de silice comme liant de la préforme devient problématique, du fait que la réaction suivante a lieu 2 Mg + S'02 -> Si + 2 MgO Le silicium formé se dissout dans le magnésium pour former une phase silicium-magnésium qui n'a généralement pas d'effet nuisible sur les propriétés du magnésium métallique, et ainsi du composite résultant. Toutefois, l'oxyde de magnésium est formé en tant que solide plus ou moins cristallin, qui ne se dissout pas dans le magnésium métallique. On a constaté que la présence de ces cristaux d'oxyde de magnésium avait un effet nuisible sur les propriétés globales du composite lorsqu'ils sont présents une quantité suffisante. On peut donc voir que cette réaction entraînait de sérieuses limitations pour le liant de la préforme que l'on aurait pu utiliser si l'on avait pu éviter la création d'oxyde de magnésium. La seconde est que de telles réactions apparaissent également avec plusieurs des autres matériaux couramment utilisés soit comme liant, soit comme renfort ; on sait ainsi que les réactions suivantes se produisent 3 Mg + A1203 -@ 2 A1 + 3 MgO 2 Mg + T'02 Ti + 2 MgO Mg3 (P04) 2 + 5 Mg --) 8 MgO + 2 P L'aluminium et le titane s'allient avec le magnésium, et le phosphore se vaporise. Dans les deux premiers cas, bien que l'aluminium et le titane n'aient qu'un effet minimal, voire nul, sur les propriétés du composite résultant, on ne peut pas en dire autant des cristaux d'oxyde de magnésium qui sont produits dans les trois cas. La présence de cristaux d'oxyde de magnésium peu résistants et fragiles rend le composite enclin à la formation de criques. On peut voir aussi que ces réactions limitent sérieusement les matériaux pouvant être utilisés pour renforcer le magnésium si l'on doit éviter la création de l'oxyde de magnésium. Il existe donc un besoin pour un système de liant pouvant être utilisé pour créer des préformes destinées à être utilisées dans la fabrication de composites, dans lesquels le métal utilisé est le magnésium ou un alliage de magnésium. En outre, il serait souhaitable qu'un tel système de liant puisse être également utilisé avec des matériaux de renfort aussi bien particulaires que fibreux, et soit potentiellement utile avec d'autres métaux, moins réactifs. L'invention vise à procurer un procédé pour préparer une préforme pour un composite à matrice de magnésium métallique, qui met en oeuvre un système de liant pour la préforme qui ne réagit pas avec le magné sium en fusion, ne provoque pas la création de maté riaux solides indésirables dans le composite de magnésium, et que l'on peut utiliser avec les matériaux de renfort couramment utilisés avec le magnésium sans provoquer la formation d'oxyde de magnésium pendant l'opération de coulée. En outre, l'invention vise également à procurer un procédé pour préparer une préforme utilisable dans des composites dans lesquels le métal n'est pas le magnésium, tels que des composites d'aluminium et d'alliages d'aluminium. Ainsi, dans un premier grand mode de réalisation, l'invention procure un procédé pour préparer une préforme destinée à être utilisée dans un composite à matrice métallique, comprenant les étapes suivantes (a) former une suspension du matériau de renfort avec du fluorure de magnésium dans une solution aqueuse de chlorure de magnésium ; (b) verser la suspension dans un moule ; (c) laisser prendre la suspension dans le moule pour procurer une préforme crue mise en forme ; (d) sécher la préforme crue pour enlever l'eau ; et (e) cuire la préforme crue à une température d'environ 1100 C pour procurer une préforme finie, dans laquelle le liant est du fluorure de magnésium fritté. Dans un deuxième grand mode de réalisation, l'invention procure un procédé pour fabriquer un composite â matrice métallique, comprenant les étapes suivantes (a) former une suspension du matériau de renfort avec du fluorure de magnésium dans une solution aqueuse de chlorure de magnésium ; (b) verser la suspension dans un premier moule ; (c) laisser prendre la suspension dans le premier moule pour procurer une préforme crue ; (d) sécher la préforme crue pour enlever l'eau ; (e) cuire la préforme crue à une température d'environ 1100 C pour procurer une préforme finie, dans laquelle le liant est du fluorure de magnésium fritté ; (f) placer la préforme dans un deuxième moule ; (g) infiltrer la préforme dans le deuxième moule avec du métal en fusion pour procurer un composite métallique. Dans un troisième grand mode de réalisation, l'invention procure un composite à matrice métallique, comprenant une préforme de renfort liée avec du fluorure de magnésium fritté. De préférence, le métal est un métal léger. Plus préférentiellement, le métal est l'aluminium, le magnésium ou un alliage de ceux-ci. Selon la plus grande préférence, le métal est le magnésium ou un alliage de magnésium. De préférence, on utilise un moule poreux dans l'étape (b). De préférence, le renfort utilisé dans la préforme est choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par le carbone, le graphite, le carbure de bore, le carbure de silicium, le diborure de titane, le nitrure de bore, et des mélanges de ceux-ci. De préférence, on utilise un renfort en particules dans l'étape (a). En variante, on utilise dans l'étape (a) un matériau de renfort en fibres, en étoupe ou en trichites. Dans une autre variante, on utilise dans l'étape (a) comme matériau de renfort un mélange de particules et/ou de fibres et/ou d'étoupe et/ou de trichites, de telle sorte qu'on obtient un composite hybride contenant plus d'un renfort sous plus d'une forme physique. De préférence, la préforme crue est séchée à l'air dans un four dans l'étape (d). Plus préférentiellement, la préforme crue est séchée à l'air dans un four à environ 45 C dans l'étape (d). De préférence, on utilise dans l'étape (g) un processus de coulée sous pression. Pendant ces procédés, on prépare d'abord une suspension du matériau de renfort, par exemple de carbure de silicium en particules, mélangé avec du fluorure de magnésium dans une solution de chlorure de magnésium. La suspension est versée dans un moule poreux, par exemple pour obtenir une préforme discoï- dale, et on la laisse prendre. Pendant la prise, il se forme du chlorure de magnésium hydraté, MgC12.6H20, qui sert de liant à basse température, pour maintenir la cohésion de la préforme crue. Le disque coulé est ensuite séché à l'air, de façon caractéristique en chauffant modérément dans un four à environ 45 C. L'utilisation d'un moule poreux garantit que la préforme sèche régulièrement, et sans formation de criques ou autre déformation, pendant l'étape de séchage. Le chlorure de magnésium hydraté communique à la préforme une résistance à cru suffisante pour lui permettre d'être manipulée en faisant raisonnablement attention. La préforme crue séchée est ensuite cuite à environ 1100 C. Dans l'étape de cuisson, le chlorure de magnésium se décompose, et est essentiellement évacué ; en même temps, le fluorure de magnésium est fritté, liant la poudre de carbure de silicium à elle-même pour former un corps poreux. Le disque cuit obtenu est également suffisamment résistant pour être manipulé. Afin de fabriquer un composite de magnésium métallique, la préforme mise en forme est placée dans un deuxième moule et est ensuite infiltrée avec du magnésium en fusion ou un alliage de magnésium en fusion. Des éléments d'alliage caractéristiques comprennent l'aluminium, le béryllium, le calcium, le cuivre, le lithium, le manganèse, des métaux du groupe des terres rares, le silicium, l'argent, le thorium, l'étain, le zinc, le zirconium et l'yttrium, et des combinaisons de métaux. On préfère que l'infiltration de la préforme pour obtenir le composite métallique recherché soit effectuée par le procédé de coulée sous pression. On peut ainsi voir que le liant de l'invention évite les inconvénients associés à l'utilisation d'un liant avec lequel peut réagir le magnésium en fusion. L'examen de composites de magnésium fabriqués par ce procédé, dans lequel le matériau de renfort est le carbure de silicium, montre que la plus grande partie du fluorure de magnésium reste liée au carbure de silicium. Une certaine proportion de ce matériau semble se détacher par fissuration et n'a apparemment aucun effet nuisible sur les propriétés du composite. Bien que le fluorure de magnésium utilisé comme liant dans le procédé de l'invention convienne remarquablement pour être utilisé dans des préformes qui sont ultérieurement infiltrées par du magnésium en fusion ou un alliage de magnésium en fusion, car il ne réagit pas avec eux, il n'est pas limité à cette utili sation. On peut l'utiliser avec d'autres métaux pour lesquels le problème de réaction ne se pose pas, en particulier l'aluminium et les alliages d'aluminium. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour préparer une préforme destinée à être utilisée dans un composite à matrice métallique, comprenant les étapes suivantes (a) former une suspension du matériau de renfort avec du fluorure de magnésium dans une solution aqueuse de chlorure de magnésium ; (b) verser la suspension dans un moule ; (c) laisser prendre la suspension dans le moule pour procurer une préforme crue mise en forme ; (d) sécher la préforme crue pour enlever l'eau ; et (e) cuire la préforme crue à une température d'environ 1100 C pour procurer une préforme finie, dans laquelle le liant est du fluorure de magnésium fritté. 2.- Procédé pour fabriquer un composite à matrice métallique, comprenant les étapes suivantes (a) former une suspension du matériau de renfort avec du fluorure de magnésium dans une solution aqueuse de chlorure de magnésium ; (b) verser la suspension dans un premier moule ; (c) laisser prendre la suspension dans le premier moule pour procurer une préforme crue ; (d) sécher la préforme crue pour enlever l'eau ; (e) cuire la préforme crue à une température d'environ 1100 C pour procurer une préforme finie, dans laquelle le liant est du fluorure de magnésium fritté ; (f) placer la préforme dans un deuxième moule ; (g) infiltrer la préforme dans le deuxième moule avec du métal en fusion pour procurer un composite métallique. 3.- Composite de magnésium ou d'alliage de magnésium, comprenant une préforme de renfort liée avec du fluorure de magnésium fritté. 4.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau de renfort utilisé dans la préforme est choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par le carbone, le graphite, le carbure de silicium, le diborure de titane, le carbure de bore, le nitrure de bore, et des mélanges de ceux-ci. 5.- Procédé selon la revendication 2, dans lequel le matériau de renfort utilisé dans la préforme est choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par le carbone, le graphite, le carbure de silicium, le diborure de titane, le carbure de bore, le nitrure de bore, et des mélanges de ceux-ci. 6.- Composite selon la revendication 3, dans lequel le matériau de renfort utilisé dans la préforme est choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par le carbone, le graphite, le carbure de silicium, le diborure de titane, le carbure de bore, le nitrure de bore, et des mélanges de ceux-ci. 7.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau de renfort utilisé dans l'étape (a) est sous une forme physique choisie parmi au moins l'une du groupe constitué par des particules, des fibres, de l'étoupe, des trichites et des mélanges de celles-ci. 8.- Procédé selon la revendication 2, dans lequel le matériau de renfort utilisé dans l'étape (a) est sous une forme physique choisie parmi au moins l'une du groupe constitué par des particules, des fibres, de l'étoupe, des trichites et des mélanges de celles-ci. 9.- Composite selon la revendication 3, dans lequel le matériau de renfort utilisé dans la préforme est sous une forme physique choisie parmi au moins l'une du groupe constitué par des particules, des fibres, de l'étoupe, des trichites et des mélanges de celles-ci. 10.- Composite selon la revendication 3, dans lequel la préforme comprend un renfort en particules lié par du fluorure de magnésium fritté. 11.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise un moule poreux dans l'étape (b). 12.- Procédé selon la revendication 2, dans lequel on utilise un moule poreux dans l'étape (b). 13.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la préforme crue est séchée à l'air dans un four dans l'étape (d). 14.- Procédé selon la revendication 2, dans lequel la préforme crue est séchée à l'air dans un four dans l'étape (d). 15.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la préforme crue est séchée à l'air dans un four à environ 45 C dans l'étape (d). 16.- Procédé selon la revendication 2, dans lequel la préforme crue est séchée à l'air dans un four à environ 45 C dans l'étape (d). 17.- Procédé selon la revendication 2 dans lequel on utilise un processus de coulée sous pression dans l'étape (g).