Brevet FR2849652A1 — publié le 20040709

PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'UNE PIECE EN CERAMIQUE AVEC UNE PIECE METALLIQUE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine de la métallurgie et plus précisément de l'assemblage de 10 pièces constituées de matériaux différents et en particulier l'assemblage d'une pièce en céramique avec une pièce métallique. Etat de la technique et problème posé De nombreux procédés d'assemblage céramique/métal, c'est-à-dire d'une pièce en céramique avec une pièce métallique, sont mis actuellement en oeuvre et permettent de respecter diverses spécifications relatives à l'étanchéité de la jonction, à l'adhérence, à la faible perte de conductivité thermique, etc. ; ils sont les suivants. Le collage compte parmi les solutions les plus simples et les moins onéreuses, mais il limite la 25 température d'utilisation à 100-1500C. Le soudage par diffusion en phase solide est en général performant, mais présente trois inconvénients majeurs. En effet, son prix de revient est élevé, puisqu'il fait intervenir des procédés tels 30 que la compaction isostatique à chaud, c'est-à-dire le fait de compacter à chaud les matériaux, de manière isostatique. De plus, les matériaux assemblés doivent avoir des coefficients de dilatation suffisamment proches pour éviter l'apparition de contraintes résiduelles lors du refroidissement et des éventuels 5 cycles thermiques. Enfin, ce procédé se limite à des pièces de formes simples. D'autre part, le soudage par diffusion est également exclu, lorsque les matériaux utilisés possèdent des températures de fusion trop éloignées l'une de l'autre, ou bien, lorsque l'un des 10 matériaux perd ses propriétés avant que la température de diffusion ne soit atteinte, comme c'est le cas pour les céramiques piézo- électriques. Les procédés de dépôt de céramique sur métal, depuis la projection thermique jusqu'au dépôt chimique 15 en phase vapeur, permettent également de fournir un assemblage hétérogène performant, mais ne sont adaptés qu'aux couches de céramique minces, voire très minces. Le brasage à l'aide d'un métal d'apport est une solution moins coteuse que le soudage par 20 diffusion, mais ne résout pas le problème des contraintes résiduelles. De plus, la nécessité d'une métallisation préalable de la partie céramique reporte le problème à ce niveau. Le brasage actif est une solution plus 25 satisfaisante, car elle supprime la phase de métallisation évoquée plus haut. Des éléments actifs contenus dans le métal d'apport favorisent la réaction avec la céramique. L'alliage argent/cuivre/titane est classiquement utilisé pour assembler des céramiques à 30 base de silicium, avec une résistance maximale de 500 MPa (mégapascals). Le problème d'une frontière nette entre la partie céramique et le métal d'apport subsiste. Le brasage sous pression permet de pallier à la mauvaise mouillabilité du métal d'apport sur la 5 céramique et améliore la résistance de l'assemblage, mais ne présente pas de différence majeure avec les deux procédés précédents. Le brasage se fait à des températures voisines de 1 0000C. L'assemblage sous vide à température ambiante 10 est un procédé qui nécessite le nettoyage préalable des surfaces par bombardement d'ions et un vide de 130 x 10-1 Fa pendant l'opération. A cela s'ajoute une contrainte sur les dimensions des pièces à assembler, qui doivent rester faibles. Le soudage par friction, très utilisé pour le nitrure de silicium, permet d'atteindre des résistances de 120 MPa. Néanmoins, la fragilité de la céramique oblige à utiliser, pour la contre-pièce métallique, des matériaux ductiles, comme l'aluminium. Enfin, le soudage " par l'eutectique " utilise l'eutectique produit dont la réaction, entre la plupart des métaux (fer, nickel, cobalt et leurs alliages) et les céramiques à base de silicium. Les produits de ces réactions sont des siliciures pour la 25 plupart, qui permettent une diffusion profonde du silicium dans le métal. La résistance peut atteindre 300 MPa. D'autre part, par le document de brevet européen EP-0 146 493, on connaît un procédé pour fixer 30 des céramiques sur des métaux. Les phases principales sont les suivantes - dépôt sur la céramique d'un insert constitué d'un mélange d'au moins un métal (nickel ou cuivre) et d'au moins un oxyde métallique ou un nitrure ou un carbure par dépôt ionique ou pulvérisation; - traitement thermique de cet insert pour permettre la liaison métallurgique avec la céramique et - fixation d'une pièce métallique sur l'insert par brasage, le point de fusion du matériau de 10 brasage étant plus bas que celui du matériau constituant l'insert, ou par soudage par diffusion à une température plus basse que celle du point de fusion du matériau constituant l'insert. Les procédés ci-dessus énumérés, ont tous 15 l'inconvénient commun qui est l'existence de contraintes résiduelles thermiques qui ne sont pas forcément réparties uniformément le long de l'interface métal/céramique. On compense cet inconvénient en reportant les contraintes de tension dans la partie 20 métallique, plutôt que de les laisser subsister dans la partie céramique qui est plus fragile. Néanmoins, l'atténuation des contraintes résiduelles dues au phénomène thermique n'est possible qu'à une température donnée. Dès que l'assemblage est porté à une 25 température différente, la dilatation différentielle réapparaît, et avec elle de nouvelles contraintes résiduelles. Ainsi, l'utilisation d'assemblage céramique/métal dans les environnements o la température varie, n'est plus fiable. Le but de l'invention est donc de remédier aux inconvénients susmentionnés. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention 5 est un procédé d'assemblage d'une pièce en céramique avec une pièce métallique. Selon l'invention, on utilise une couche intermédiaire adaptative et à gradient de composition continu d'une face à l'autre, une première de ses faces 10 étant constituée entièrement de la même céramique et étant fixée à la pièce en céramique, la deuxième face étant fixée à la pièce métallique et étant constituée entièrement du même métal, afin d'éviter toute interface entre les deux matériaux hétérogènes. Dans sa mise en oeuvre préférentielle, le procédé s'effectue en deux étapes qui sont la réalisation de la pièce intermédiaire à partir de la pièce en céramique, puis sa fixation sur la pièce métallique. Dans le mode de réalisation préconisé, la fixation entre couche intermédiaire et la pièce métallique se fait par brasure. Dans la réalisation préférentielle du procédé selon l'invention, la couche intermédiaire adaptative 25 est obtenue par des dépôts successifs de couches' dont les compositions varient sensiblement d'une couche successive à l'autre. Dans ce cas, il est avantageux de procéder par un dépôt par projection par plasma. 30 Description détaillée d'une réalisation de l'invention L'objectif de l'utilisation du gradient de 5 composition dans une pièce constituée d'une couche intermédiaire est d'éviter une frontière nette entre les deux matériaux que sont le métal et la céramique qui sont de nature et de comportement différents. En effet, ceci constituerait un point faible en devenant 10 une zone de forte concentration de contraintes. Au contraire, une couche de composition progressive dans sa section permet une répartition plus douce des sollicitations thermiques et mécaniques. La technique de dépôts successifs par 15 projection de plasma est préférée, afin de déposer des couches successives les unes sur les autres, dont la composition de chacune varie sensiblement par rapport à la précédente. La couche intermédiaire possède donc deux faces dont l'une est en contact avec la pièce en 20 céramique, tandis que l'autre est en contact avec la pièce métallique. La composition de la couche intermédiaire au niveau de la surface en contact avec la pièce en céramique est constituée totalement de céramique. En conséquence, la couche immédiatement 25 suivante comprendra une infime partie du métal dont est constituée la pièce métallique, la couche suivante étant constituée elle-même d'un mélange contenant un peu plus de ce métal et un peu moins de céramique et ainsi de suite. La face de la couche intermédiaire se 30 trouvant en regard de la pièce métallique comprend uniquement du métal dont est constituée cette pièce métallique. La projection par plasma permet de faire varier légèrement la composition du mélange projeté 5 d'une couche à l'autre. On peut cependant utiliser d'autres techniques, telles que le frittage par rayon laser. Pour la jonction et la fixation de la couche intermédiaire du côté métallique avec la pièce 10 métallique, on utilise de préférence le brasage usuellement utilisé pour joindre deux pièces métalliques. En d'autres termes, la fixation par brasage se fait entre deux couches métalliques, comme il est usuel de le pratiquer. Ceci garantit une très 15 grande résistance mécanique. Avantages de l'invention Les contraintes résiduelles issues du 20 procédé d'assemblage selon l'invention sont très limitées par rapport à celles des procédés classiques. Le passage progressif de la partie céramique à la partie métallique, grâce au gradient de composition, permet d'éviter les interfaces. Dans le cas de l'utilisation de la projection par plasma, l'assemblage de surfaces complexes est possible. Aucune limitation dans le choix de la nature de la céramique et du métal ne sont à prévoir, autre 30 que celle imposée par le mode de fabrication de la couche intermédiaire. Enfin, le brasage garde ses caractéristiques optimales, car il concerne en final deux couches purement métalliques et de même nature. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage d'une pièce en céramique avec une pièce métallique, caractérisé en ce 5 qu'il consiste à utiliser une couche intermédiaire constituée de la même céramique et du même métal, adaptative et à gradient de composition continu d'une face à l'autre, une première face étant constituée uniquement de céramique et étant fixée à la pièce en 10 céramique, la deuxième face étant constituée du métal et étant fixée à la pièce métallique. 2. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'effectue en deux étapes successives qui sont la réalisation de la 15 pièce intermédiaire à partir de la pièce en céramique, puis son assemblage sur la pièce métallique. 3. Procédé d'assemblage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fixation de la pièce métallique avec la couche intermédiaire se 20 fait par brasure. 4. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche intermédiaire et adaptative est obtenue par dépôts successifs de couches dont la composition varie 25 sensiblement d'une couche successive à l'autre. 5. Procédé d'assemblage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dépôts successifs se font par projection par plasma.