Brevet FR2798872A1 — publié le 20010330

Préformes de faible fraction volumique pour composites à matrice métallique L'invention concerne des préformes utilisées dans la production de composites à matrice métallique. En particu- lier, cette invention concerne des préformes de faible fraction volumique utilisées dans la fabrication de composi- tes à matrice métallique, notamment les composites à matrice de métal léger, à savoir aluminium, magnésium, titane et leurs alliages. Les préformes de cette invention sont particulièrement intéressantes dans les procédés d'infiltra- tion sans pression et de coulée sous pression. De nombreux objets sont formés à partir de métaux ou d'alliages métalliques coulés et, en particulier, d'alliages de métaux dits légers, lesquels comprennent l'aluminium, le magnésium, et des alliages de ceuxci qui contiennent souvent de plus petites proportions de plusieurs autres éléments. Des éléments d'alliage caractéristiques pour le magnésium comprennent aluminium, béryllium, calcium, cuivre, lithium, manganèse, métaux du groupe des terres rares, silicium, argent, thorium, zinc, zirconium et yttrium; des éléments d'alliage caractéristiques pour l'aluminium comprennent silicium, fer, cuivre, manganèse, magnésium, chrome, nickel, zinc, vanadium, titane et gallium. Bien que ces alliages soient largement utilisés, ils n'en présentent pas moins certains inconvénients. Sont particulièrement importantes leur inaptitude à résister à des températures même moyenne- ment élevées, l'absence de résistance mécanique intrinsèque par comparaison avec des métaux tels que les alliages ferreux et l'absence de résistance appropriée à l'usure. Les besoins des industries aéronautique et automobile, entre autres, en pièces légères à résistance mécanique élevée ont entraîné le développement de composites renforcés à matrice métallique. Dans ces composites à matrice métallique, une phase de renforcement est dispersée dans la matrice métallique de telle sorte que le composite fait plus que compenser l'absence de propriétés mécaniques, physiques, et autres du métal seul. La phase dispersée peut être sous la forme de particules, de trichites, de fibres, ou, dans le cas d'un renforcement en fibres de carbone ou de graphite, elle peut être de l'étoupe. Le renforcement peut être dispersé dans le métal en fusion en utilisant une technique de coulée avec agitation, ou le renforcement peut être préparé en tant que préforme dans laquelle le métal en fusion est infiltré, soit par infiltration sans pression, soit par coulée sous pression à une pression d'environ 100 MPa. Lorsqu'on utilise une préforme, celle-ci doit être capable de survivre à l'étape d'infiltration plus ou moins endommagée. Des procédures caractéristiques fabriquées de tels composites sont décrites par Lawrence, US 3 529 655; Akiyama et al., US 4 548 774; Tommis et al., US 4 715 422; Corwin, US 4 932 099; Jolly et al., US 4 995 444; Wong, US 360 662; Corbett et al., US 5 458 181; Rohatgi, US 711 362; Maier et al., CA 2 040 499; et Brown et al., CA 2 238 520. Des matériaux caractéristiques utilisés comme renforcement dans des composites à matrice métallique comprennent les suivants: - sous la forme de fibres: carbure de silicium, graphite, carbone, alumine et mélanges d'alumine et de silice; sous la forme de trichites: carbure de silicium; - sous la forme d'étoupe: carbone et graphite; et - sous la forme de particules: carbure de silicium, carbone, alumine, diborure de titane, carbure de bore et nitrure de bore. Bien que ces composites à matrice métallique résolvent en fait nombre des problèmes associés à un produit métallique non renforcé comparable, les composites à matrice métallique présentent également plusieurs inconvénients qui font obstacle à leur utilisation. Les matériaux de renforcement utilisés, notamment dans le cas de trichites d'un matériau tel que le carbure de silicium, sont coûteux. Les composites à matrice métallique sont souvent difficiles à usiner et, dans de nombreux cas, des outils de coupe en diamant sont nécessaires, ce qui augmente encore les coûts de fabrication. Les propriétés de ductilité utilisées de façon extensive dans le façonnage des métaux légers, par exemple dans la fabrica- tion de produits extrudés, sont, soit détériorées de façon significative, soit effectivement perdues, si on utilise une fraction volumique de renforcement relativement élevée. Dans ce contexte, le terme "fraction volumique" désigne la proportion du volume du composite à matrice métallique occupée par le renforcement; par exemple, si la fraction volumique de renforcement est 25 %, ceci signifie qu'un quart du volume du composite est constitué par le renforcement et trois quarts par le métal. Une autre difficulté est que l'on manque de données techniques fiables concernant les composi- tes à matrice métallique contenant des fractions volumiques de renforcement importantes, dont on a besoin à des fins de conception structurale. Ces difficultés peuvent être surmontées dans une certaine mesure par deux moyens. En théorie, il est possible de réduire la quantité de renforcement utilisée en ne renforçant qu'une ou plusieurs parties sélectionnées de la matrice métallique, par exemple une zone exposée à une contrainte importante, et il est également possible de réduire la quantité de renforcement en utilisant une faible fraction volumique de renforcement. Par l'une ou l'autre de ces techniques, ou par une combinaison de celles-ci, il est théoriquement possible de fabriquer un produit composite à matrice métallique constitué principalement de métal et dans lequel, soit seules des régions sélectionnées contiennent le renforcement, soit une quantité de renforcement relativement faible, mais suffisante, est dispersée dans toute la matrice métallique, pour procurer ainsi dans les deux cas les propriétés requises du composite à matrice métallique. Ceci devrait réduire le coût du renforcement utilisé et devrait procurer un produit pouvant être usiné avec un outillage conventionnel, abaissant ainsi de nouveau les coûts de production. Les propriétés structurales du composite à matrice métallique s'approcheraient alors aussi de celles de la matrice métallique, simplifiant ainsi le processus de conception, car les propriétés des métaux et alliages utilisés dans les composites à matrice mécanique sont bien connues. Toutefois, il existe encore une difficulté importante. Afin de pouvoir utiliser une faible fraction volumique de matériau de renforcement, soit en tant que renforcement sélectif à un emplacement particulier, tel qu'un point exposé à une contrainte ou une usure localisée, soit distribué de façon homogène à travers toute la matrice métallique, il est nécessaire d'utiliser le matériau de renforcement en tant que préforme. Dans ce contexte, la faible fraction volumique de matériau de renforcement est, de façon caractéristique, en dessous d'environ 8 % dans le cas d'un renforcement en trichites, et en dessous d'environ 15 % dans le cas d'un renforcement en particules. Il s'ensuit que, outre qu'elle correspond à la faible fraction volumique requise, la préforme finie doit avoir une résistance mécanique structu- rale suffisante pour être manipulée et pour survivre à l'opération d'infiltration du métal, qui est souvent une étape de coulée sous pression conduite à une pression d'environ 100 MPa. Aucun procédé n'est actuellement décrit permettant de réaliser une préforme de renforcement correspondant à cette faible fraction volumique du composite dans laquelle le renforcement est réparti de façon uniforme. Une répartition non uniforme du renforcement à l'intérieur d'un composite à matrice métallique, ou même à l'intérieur d'une portion renforcée d'un composant, n'est pas souhaitable pour plu- sieurs raisons, dont la moindre n'est pas que les propriétés du composite à matrice métallique ou de la portion renforcée d'un composant plus important varient de façon imprévisible et largement aléatoire. Cette invention vise à procurer un procédé grâce auquel on peut préparer une préforme de faible fraction volumique, dans laquelle le renforcement comprend des trichites, des fibres ou des particules. La préforme obtenue a une résis- tance mécanique suffisante pour être manipulée et également pour être infiltrée avec un métal liquide, par exemple par un procédé de coulée sous pression conduit à une pression d'environ 100 MPa. Dans le procédé de cette invention, on effectue une sélection particulière de matériau liant et de charges sacrificielles pour fabriquer la préforme et la préforme est solidifiée par une technique spécifique de séchage et de cuisson. Le procédé de cette invention comprend en gros quatre étapes. Dans la première étape, le renforcement est mélangé avec un liant et avec les charges sacrificielles pour procurer une pâte pouvant être coulée. La pâte est ensuite placée dans un moule pour procurer une préforme coulée crue. Dans la deuxième étape, la préforme coulée crue est séchée pour enlever toute eau et/ou tout solvant restant de la pâte pouvant être coulée. Dans la troisième étape, la préforme crue est cuite à une température relativement basse pour éliminer par combustion les charges sacrificielles. Dans la quatrième étape, la préforme crue est cuite à une température suffisamment élevée pour fritter le liant et stabiliser le renforcement. Dans les troisième et quatrième étapes, on utilise des combinaisons particulières de température et de durée pour garantir la décomposition des charges sacrificiel- les, suivie par une cuisson du liant pour le fritter et stabiliser ainsi la préforme sans destruction ni fissuration de la préforme crue. Avec un mélange approprié dans la première étape et un contrôle approprié des étapes de séchage et de cuisson, on peut fabriquer des préformes qui ont effectivement une forme quasi définitive et qui ont une résistance mécanique suffi- sante pour être manipulées avec un soin raisonnable. Ces préformes peuvent également résister aux efforts imposés par le procédé de coulée sous pression. Avec le procédé de cette invention, on peut fabriquer des préformes avec une fraction volumique pouvant descendre au moins jusqu'à 15 % pour des particules et à 8 % pour des trichites. Avec le procédé de cette invention, il est donc possible de fabriquer un composite à matrice métallique contenant plus de 85 % du métal de la matrice. Il est également possible de fabriquer avec succès de grandes préformes, avec des épaisseurs de section pouvant atteindre environ 5 cm et une longueur ou un diamètre pouvant atteindre environ 30 cm. Ainsi, dans une première réalisation générale, cette invention procure un procédé pour fabriquer une préforme de faible fraction volumique à partir d'un renforcement pour la fabrication d'un composite à matrice métallique, comprenant les étapes suivantes: (a) mélanger le renforcement avec une combinaison de charges sacrificielles, d'un liant frittable et de suffisam- ment de liquide pour obtenir une pâte moulable; (b) placer la pâte moulable dans un moule de préforme; (c) faire prendre la pâte moulable dans le moule de préforme à une température et pendant une durée suffisantes pour obtenir une préforme crue sèche; (d) cuire la préforme crue dans un four commandé de manière à fournir une préforme cuite dans les combinaisons suivantes de durées et de températures sous forme d'une séquence continue: (i) chauffer d'environ 50 C à environ 210 C à une vitesse de 30 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 210 C pendant environ 30 minutes; (ii) chauffer d'environ 210 C à environ 260 C à une vitesse de 20 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 260 C pendant 60 minutes; (iii) chauffer d'environ 260 C à environ 500 C à une vitesse de 20 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 500 C pendant 30 minutes; (iv) chauffer d'environ 500 C à environ 560 C à une vitesse de 10 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 560 C pendant 30 minutes; (v) chauffer d'environ 560 C à environ 1100 C à une vitesse de 100 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 1100 C pendant 4 heures; et (vi) refroidir lentement à la température ambiante. De préférence, la prise initiale dans l'étape (c) s'effectue à environ 50 C sur une durée d'environ 18 heures. De préférence, l'étape finale de refroidissement est effectuée en laissant la préforme cuite refroidir dans le four. De préférence, la séquence continue de durées et de températures de cuisson de l'étape (d) est effectuée dans un four programmable. De préférence, le renforcement utilisé est choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par le carbure de silicium, le carbone, le graphite, le carbure de bore, le nitrure de bore, le diborure de titane, la silice, l'alumine et des mélanges d'alumine et de silice. De préférence, le renforcement utilisé 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. Les charges sacrificielles et les liants sont choisis pour atteindre essentiellement trois buts. Tout d'abord, les charges garantissent que le renforcement et les liants sont tous uniformément répartis à l'intérieur de la préforme crue. En second lieu, la préforme crue doit, après séchage, avoir une résistance mécanique suffisante pour survivre à un degré raisonnable de manipulation. En troisième lieu, lorsqu'elles sont soumises aux combinaisons de durées et de températures de la séquence de cuisson jusqu'à environ au moins 560 C, les charges sacrificielles se décomposent uniment et régulière- ment, sans déformation, affaissement, fissuration ou autre rupture de la préforme crue. Des exemples caractéristiques de charges sacrificielles sont les suivants: - matériaux cellulosiques: amidon de maïs; et - matériaux plastiques inertes: polyoléfines pulvéru- lentes, par exemple polypropylène pulvérulent. Des matériaux cellulosiques tels que l'amidon de maïs aident aussi à répartir uniformément le matériau de renforce- ment solide dans toute la pâte dont est coulée la préforme crue, et également à procurer une pâte stable. Des exemples caractéristiques de liants sacrificiels sont des polymères moulables, tels que les résines polyesters catalysées par des peroxydes bien connues. Des exemples caractéristiques de liants non sacrificiels frittables sont: silice pulvérulente, silice colloïdale, alumine pulvérulente, alumine colloïdale, mélanges de silice et d'alumine qui peuvent être faits en mélangeant les deux composants ou en utilisant une source minérale contenant les deux. D'autres liants non sacrificiels frittables possibles comprennent le phosphate de monomagnésium, le phosphate de monoaluminium et le fluorure de magnésium. Un certain soin doit également être apporté ou utilisé pour l'étape de coulée de la préforme. Ce moule doit être conçu de manière que la préforme crue puisse être séchée lentement et régulièrement, en évitant ainsi déformation et fissuration. On peut utiliser commodément un moule poreux. Après coulée de la préforme, celle-ci est soumise à une étape de séchage initiale à une température relativement basse, étape dans laquelle les liquides et principalement l'eau utilisés pour préparer le mélange coulable initial sont éliminés. Les conditions de séchage sont choisies de telle sorte que la préforme coulée sèche régulièrement et à fond, sans crique ni déformation. Avec un mélange coulable dans lequel l'eau est le liquide principal, on a trouvé qu'un séchage lent conduit dans un four ventilé à basse température maintenu à environ 50 C, et un séchage plus court effectué dans un four ventilé à environ 150 C, sont tous deux satis- faisants. De grandes préformes crues peuvent exiger une durée de séchage plus longue. Exemple 1. On prépare une fraction volumique de 25 % de renfor- cement à partir des matériaux suivants: carbure de silicium en poudre 100 g polypropylène pulvérulent 15 g résine polyester 6 g résine catalytique 4 g amidon de maïs 15 g poudre d'alumine 5 g silice colloïdale 15 g La résine polyester et le catalyseur utilisés sont ce qu'il est convenu d'appeler "un liant de boîte chaude" et "un catalyseur de boîte chaude" disponibles auprès de Ashland Chemicals; d'autres systèmes de résines catalysées par un peroxyde sont largement disponibles. La silice colloïdale utilisée est largement disponible en tant que suspension aqueuse. Les matériaux sont ensuite mélangés pour procurer une pâte humide qui peut être formée dans le moule poreux de la préforme. Pour des formes de moule plus complexes, on peut appliquer des vibrations ou une pression à la pâte humide pour faciliter le remplissage de la totalité du moule. On utilise suffisamment de liquide pour garantir que le mélange remplira complètement toutes les cavités du moule de la préforme. La quantité de liquide peut être réglée pour obtenir la consistance désirée du mélange, soit en modifiant la quantité de la silice colloïdale utilisée, soit en ajoutant de l'eau. Il est aussi envisagé de couler plus d'une préforme simultanément dans le moule. Le moule poreux contenant le mélange est également séché dans un four à basse température à environ 150 C pendant environ 2 heures. Il est ensuite chauffé dans un four programmé pour procurer la séquence spécifiée des combinai- sons de durées et de températures. On a trouvé que la préforme obtenue était suffisamment résistante physiquement pour résister à une manipulation raisonnable et également pour survivre à une étape de coulée sous pression pour l'infiltrer avec un alliage d'aluminium en fusion et obtenir un composite à matrice métallique à base d'alliage d'alumi- nium. Exemple 2. On prépare une préforme en trichites correspondant à une fraction volumique de renforcement de 10 % à partir des matériaux suivants: trichites de carbure de silicium: 100 g polypropylène pulvérulent 50 g amidon de maïs 50 g silice colloïdale 45 g Les matériaux sont mélangés ensemble et humidifiés avec le liant à base de silice colloïdale pour obtenir une pâte pouvant être versée capable de remplir toutes les cavités d'un moule de préforme poreux. La consistance du mélange est réglée si nécessaire, soit en modifiant la quantité de silice colloïdale, soit en ajoutant de l'eau. Le moule poreux contenant le mélange est séché dans un four à basse tempéra- ture à 50 C pendant environ 18 heures. La préforme crue est ensuite cuite dans un four programmée pour procurer la séquence spécifiée de combinaisons de durées et de températu- res. On a trouvé que la préforme obtenue était suffisamment résistante physiquement pour résister à une manipulation raisonnable et également pour survivre à une étape de coulée sous pression pour l'infiltrer avec un alliage d'aluminium en fusion et obtenir un composite à matrice métallique à base d'alliage d'aluminium. Revendications 1. Procédé pour fabriquer une préforme de faible fraction volumique à partir d'un renforcement pour la fabrication d'un composite à matrice métallique, comprenant les étapes suivantes: (a) mélanger le renforcement avec une combinaison de charges sacrificielles, d'un liant frittable et de suffisam- ment de liquide pour obtenir une pâte moulable; (b) placer la pâte moulable dans un moule de préforme; (c) faire prendre la pâte moulable dans le moule de préforme à une température et pendant une durée suffisantes pour obtenir une préforme crue sèche; (d) cuire la préforme crue dans un four commandé de manière à fournir une préforme cuite dans les combinaisons suivantes de durées et de températures sous forme d'une séquence continue: (i) chauffer d'environ 50 C à environ 210 C à une vitesse de 30 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 210 C pendant environ 30 minutes; (ii) chauffer d'environ 210 C à environ 260 C à une vitesse de 20 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 260 C pendant 60 minutes; (iii) chauffer d'environ 260 C à environ 500 C à une vitesse de 20 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 500 C pendant 30 minutes; (iv) chauffer d'environ 500 C à environ 560 C à une vitesse de 10 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 560 C pendant 30 minutes; (v) chauffer d'environ 560 C à environ 1100 C à une vitesse de 100 C par heure, ce chauffage étant suivi par un maintien à environ 1100 C pendant 4 heures; et (vi) refroidir lentement à la température ambiante. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la prise dans l'étape (c) est effectuée à environ 50çC sur une durée d'environ 18 heures. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la prise dans l'étape (c) est effectuée à environ 150 C sur une durée d'environ 2 heures. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le refroidissement dans la partie (vi) de l'étape (d) est effectué en laissant la préforme cuite refroidir dans le four. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la séquence de durées et de températures de cuisson de l'étape (d) est conduite dans un four programme. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le renforcement utilisé est choisi parmi au moins un élément du groupe constitué par le carbure de silicium, le carbone, le graphite, le carbure de bore, le nitrure de bore, le diborure de titane, la silice, l'alumine et des mélanges d'alumine et de silice. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le renforcement utilisé 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 1, dans lequel, dans l'étape (b), le placement de la pâte moulable dans le moule est aidé par l'utilisation de vibrations. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, dans l'étape (b), le placement de la pâte moulable dans le moule est aidé par l'utilisation de pression.