FR2768436A1 - MATERIAL PROVIDING GOOD MATERIAL DAMPING AND GOOD TENSILE STRENGTH, AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH MATERIAL - Google Patents
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Abstract
Matériau offrant un bon amortissement matériel et une bonne résistance à la traction et constitué d'un matériau de base globalement métallique et d'une deuxième phase, la deuxième phase étant métallique et comportant au moins partiellement une structure martensitique, ainsi qu'un procédé de fabrication de ce matériau.Material offering good material damping and good tensile strength and consisting of a generally metallic base material and a second phase, the second phase being metallic and at least partially having a martensitic structure, as well as a method of manufacture of this material.
Description
!!
MATERIAU ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE MATERIAU MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE MATERIAL
L'invention concerne un matériau qui offre un bon amortissement matériel et une bonne résistance à la traction et qui est fabriqué à partir d'un matériau de base globalement métallique et d'une deuxième phase, ainsi qu'un procédé de fabrication de ce matériau. La grande accélération de pièces mécaniques mobiles provoque des oscillations gênantes dans un large spectre de fréquences. Les charges vibratoires élevées dans les systèmes oscillants conduisent à de longs temps morts dus à de longs phénomènes transitoires et limitent la durée' de vie des éléments sollicités. Un autre problème est le bruit dû aux oscillations.15 En raison de leur grande résistance, de leur faible poids et de leurs bonnes propriétés par rapport à la corrosion, les métaux et les alliages ont un large champ d'application. Cependant, ils n'offrent généralement qu'un faible amortissement et c'est pourquoi on utilise20 en plus des matériaux spéciaux d'amortissement. La plupart du temps, il s'agit alors de matières plastiques, ce qui entraîne une restriction des possibilités d'utilisation lorsque la température dépasse leur point de fusion et lorsque la place disponible est limitée. La25 fonte grise ou le magnésium pur offrent certes un plus grand amortissement mais ils ont par contre une résistance limitée. On connaît par US 4 946 647 des matériaux métalliques constitués d'un matériau de base et d'une deuxième phase en graphite. Cependant, la résistance à la traction de ces matériaux est au maximum de 190 MPa, c'est-à-dire nettement inférieure à celle du matériau de base, et l'allongement à la rupture est au maximum de 4 %, même si de l'aluminium pur est utilisé comme matériau de base. Ces valeurs caractéristiques mécaniques 2 montrent que, pour ces matériaux, l'amortissement matériel est lié à une perte drastique de résistance et qu'ils ne conviennent donc pas à une utilisation comme matériau de structure.5 L'objet de la présente invention est de proposer un matériau, constitué d'un matériau de base globalement The invention relates to a material which provides good material damping and good tensile strength and which is produced from a generally metallic base material and a second phase, as well as a method for manufacturing this material. . The great acceleration of moving mechanical parts causes annoying oscillations in a wide frequency spectrum. The high vibrational loads in the oscillating systems lead to long dead times due to long transient phenomena and limit the lifetime of the stressed elements. Another problem is the noise due to oscillations.15 Due to their high resistance, their low weight and their good corrosion properties, metals and alloys have a wide field of application. However, they generally only offer low damping, which is why we use in addition to special damping materials. Most of the time, these are plastics, which results in a restriction of the possibilities of use when the temperature exceeds their melting point and when the space available is limited. Gray cast iron or pure magnesium certainly offer greater damping, but they do have limited resistance. Metallic materials consisting of a base material and a second phase in graphite are known from US 4,946,647. However, the tensile strength of these materials is at most 190 MPa, that is to say much lower than that of the base material, and the elongation at break is at most 4%, even if of pure aluminum is used as the base material. These mechanical characteristic values 2 show that, for these materials, the material damping is linked to a drastic loss of resistance and that they are therefore not suitable for use as a structural material. The object of the present invention is to offer a material, consisting of a basic material overall
métallique et d'une deuxième phase, qui a un amortissement matériel accru dès les petites amplitudes d'oscillations mais qui a une si grande résistance à la10 traction et un si grand allongement à la rupture qu'il peut être utilisé comme matériau de structure. metallic and of a second phase, which has an increased material damping from small amplitudes of oscillations but which has such a high tensile strength and such a large elongation at break that it can be used as a structural material.
Pour résoudre ce problème, un matériau du type' décrit en introduction est caractérisé selon l'invention To solve this problem, a material of the type described in the introduction is characterized according to the invention
par le fait que la deuxième phase introduite dans le15 matériau de base est métallique et comporte au moins partiellement une structure martensitique. by the fact that the second phase introduced into the base material is metallic and at least partially comprises a martensitic structure.
Le matériau selon l'invention a des propriétés d'amortissement élevées dès les petites amplitudes d'oscillations. Un autre avantage est que la deuxième20 phase partiellement martensitique n'influence pas négativement les valeurs caractéristiques mécaniques du matériau de base, si bien que le matériau peut aussi être utilisé comme matériau de structure. Il s'est aussi avéré que le matériau selon l'invention n'implique aucune25 limitation du choix de la forme extérieure de la deuxième phase, le matériau pouvant ainsi être facilement adapté à différentes exigences. De préférence, la deuxième phase comprend un alliage. L'utilisation d'un alliage de nickel et de titane a une bonne influence sur l'amortissement matériel lorsque ces composants d'alliage sont mélangés dans une proportion de 48 à 52 % atomique, notamment lorsque l'alliage contient 49,9 % atomique de nickel et 50,1 % atomique de titane. Ces composants de l'alliage ne sont à35 voir que comme des valeurs préférées et non comme une The material according to the invention has high damping properties from small amplitudes of oscillations. Another advantage is that the second partially martensitic phase does not negatively influence the mechanical characteristic values of the base material, so that the material can also be used as a structural material. It has also been found that the material according to the invention does not imply any limitation in the choice of the external shape of the second phase, the material thus being able to be easily adapted to different requirements. Preferably, the second phase comprises an alloy. The use of a nickel and titanium alloy has a good influence on the material damping when these alloy components are mixed in a proportion of 48 to 52 atomic%, in particular when the alloy contains 49.9 atomic%. of nickel and 50.1 atomic% of titanium. These components of the alloy are to be seen only as preferred values and not as a
3 restriction de l'invention.3 restriction of the invention.
On obtient une autre augmentation de l'amortissement matériel si la deuxième phase, pour la stabilisation de la phase martensitique et pour l'adaptation à des5 conditions d'exploitation, contient de préférence des composants ajoutés dans une proportion allant jusqu'à % atomique. Ces limites de proportion préférées ne sont pas non plus à voir comme une restriction, de même que le choix des composants ajoutés qui peuvent être10 avantageusement du zirconium, de l'hafnium, du cuivre, du niobium, du manganèse, du palladium, du platine et du A further increase in material damping is obtained if the second phase, for the stabilization of the martensitic phase and for adaptation to operating conditions, preferably contains components added in a proportion of up to atomic%. These preferred proportion limits are also not to be seen as a restriction, as is the choice of added components which can advantageously be zirconium, hafnium, copper, niobium, manganese, palladium, platinum and
fer. La stabilisation de la phase martensitique peut aussi être renforcée par un traitement préalable de la deuxième phase, par exemple en effectuant une déformation15 de la deuxième phase ou une homogénéisation des composants de l'alliage. iron. The stabilization of the martensitic phase can also be reinforced by a preliminary treatment of the second phase, for example by carrying out a deformation15 of the second phase or a homogenization of the components of the alloy.
La deuxième phase peut avoir la forme de particules, de fils, de fibres courtes et peut être présente sous forme de couche dans le matériau de base, de telle sorte20 que le matériau est ainsi adapté de préférence au maximum aux exigences prescrites de l'extérieur. Ce résultat est The second phase can be in the form of particles, threads, short fibers and can be present in the form of a layer in the base material, so that the material is thus preferably adapted as much as possible to the requirements prescribed from the outside. . This result is
aussi obtenu en faisant varier la proportion de la deuxième phase dans le matériau total selon les propriétés souhaitées, de préférence entre 5 et 60 %25 volumétrique. Ici aussi, il ne s'agit pas d'une restriction de l'invention. also obtained by varying the proportion of the second phase in the total material according to the desired properties, preferably between 5 and 60% by volume. Again, this is not a restriction of the invention.
Pour pouvoir garantir au mieux lors de l'amortissement le transfert de charge nécessaire du matériau de base à la deuxième phase, il est avantageux30 que la deuxième phase forme à la surface limite par rapport au matériau de base une combinaison avec celui-ci. La deuxième phase métallique avec une structure au moins partiellement martensitique à l'intérieur du matériau de base permet de satisfaire aux exigences 4 d'amortissement du matériau grâce à la seule deuxième phase tandis que la résistance à la traction et l'allongement à la rupture sont déterminés avant tout par le matériau de base. Pour cette raison, le matériau de5 base peut être choisi comme matériau de structure pour n'importe quelle exigence. En raison des propriétés mécaniques, le matériau de base est toutefois avantageusement un métal léger ou un alliage léger, l'alliage d'aluminium EN AW-6061 selon DIN EN 573 étant10 préféré ici. Mais il peut aussi exister des cas dans lesquels des résistances accrues sont nécessaires et dans lesquels on utilise alors des matériaux de base qui ont différentes structures ou qui, en tant que matériaux composites, ont au moins une troisième phase de15 renforcement. Un traitement thermo-mécanique adapté au matériau de base conduit aussi à une augmentation In order to be able to guarantee the best possible transfer of charge from the base material to the second phase during damping, it is advantageous for the second phase to form a combination with the base material in relation to the base material. The second metallic phase with an at least partially martensitic structure inside the base material makes it possible to satisfy the requirements 4 for damping the material thanks to the second phase alone, while the tensile strength and elongation at break are determined primarily by the base material. For this reason, the base material can be chosen as the structural material for any requirement. Due to the mechanical properties, the base material is however advantageously a light metal or a light alloy, the aluminum alloy EN AW-6061 according to DIN EN 573 being preferred here. But there may also be cases in which increased resistances are necessary and in which base materials are then used which have different structures or which, as composite materials, have at least a third phase of reinforcement. Thermo-mechanical treatment adapted to the base material also leads to an increase
avantageuse de la résistance du matériau de base. La suite de la description se rapporte à la partie concernant le procédé de fabrication d'un matériau selon advantageous strength of the base material. The remainder of the description relates to the part concerning the process for manufacturing a material according to
l'invention.the invention.
Le procédé selon US 4 236 925 permet de fabriquer des matériaux qui comportent une deuxième phase en graphite, en plomb ou en magnésium et qui présentent un amortissement matériel accru. Cependant, le procédé de25 fabrication doit être tel que, après une étape supplémentaire du procédé pendant laquelle le matériau The method according to US 4,236,925 makes it possible to manufacture materials which comprise a second phase of graphite, lead or magnesium and which exhibit increased material damping. However, the manufacturing process should be such that, after an additional step in the process during which the material
est soumis à une déformation plastique, la deuxième phase est présente sous forme de fuseau et le matériau est chauffé lors d'une autre étape au-delà de la température30 de recristallisation du matériau de base. is subjected to plastic deformation, the second phase is present in the form of a spindle and the material is heated during another step beyond the recrystallization temperature of the base material.
L'objet de la présente invention est aussi de proposer un procédé de fabrication d'un matériau, offrant The object of the present invention is also to propose a method of manufacturing a material, offering
un bon amortissement matériel et une bonne résistance, qui est mis en oeuvre sans étapes opératoires complexes35 supplémentaires. good material damping and good resistance, which is implemented without additional complex operating steps.
Ce problème est résolu selon l'invention en consolidant un mélange d'un matériau de base présent sous forme de poudre et d'une deuxième phase par un traitement thermique à une température comprise entre 400 C et5 700 C et à une pression comprise entre 1 000 et This problem is solved according to the invention by consolidating a mixture of a base material present in the form of powder and of a second phase by a heat treatment at a temperature between 400 C and 5700 C and at a pressure between 1 000 and
3 000 bars.3000 bars.
Ce faisant, la durée de durcissement peut valoir entre 1 et 6 heures. Une mise en oeuvre de la consolidation à 540 C, 2 000 bars et 2 heures de durée10 de durcissement donne toutefois les meilleurs résultats. Ceci est aussi valable pour le choix de la nature des états de départ pour le matériau de base et pour la deuxième phase lorsque le matériau de base est utilisé comme matériau atomisé dans du gaz inerte. Dans la mesure15 o le choix de la forme extérieure de la deuxième phase l'autorise, la deuxième phase est aussi présente sous cette forme de préparation. Une étape avantageuse du procédé est le dégazage du mélange formé par le matériau de base et la deuxième phase avant que celui-ci soit20 consolidé. Cette consolidation peut s'effectuer par compression isostatique à température élevée, par frittage, par filage ou par forgeage. Selon une autre solution, la fabrication du matériau selon l'invention est aussi possible en amenant la In doing so, the hardening time can be between 1 and 6 hours. However, consolidation at 540 ° C., 2,000 bars and 2 hours of curing time gives the best results. This is also valid for the choice of the nature of the starting states for the base material and for the second phase when the base material is used as material atomized in inert gas. Insofar as the choice of the external form of the second phase authorizes it, the second phase is also present in this form of preparation. An advantageous step in the process is the degassing of the mixture formed by the base material and the second phase before it is consolidated. This consolidation can be carried out by isostatic compression at high temperature, by sintering, by spinning or by forging. According to another solution, the manufacture of the material according to the invention is also possible by bringing the
deuxième phase au matériau de base présent sous forme fluide. second phase to the base material present in fluid form.
Lors de l'introduction de la deuxième phase dans le matériau de base fluide, il est avantageux, pour protéger When introducing the second phase into the fluid base material, it is advantageous to protect
la deuxième phase, de munir celle-ci éventuellement d'un30 revêtement afin d'empêcher une réaction trop violente avec le matériau de base. the second phase, possibly providing it with a coating in order to prevent an excessively violent reaction with the base material.
Dans les deux procédés de fabrication selon l'invention, la deuxième phase peut être introduite sous différentes formes. Elle est avantageusement présente35 sous forme de particules, de fils, de fibres courtes ou 6 de couches. Dans une étape préférée, on prépare la In the two manufacturing methods according to the invention, the second phase can be introduced in different forms. It is advantageously present35 in the form of particles, threads, short fibers or 6 layers. In a preferred step, the
deuxième phase avant la consolidation afin de stabiliser la phase martensitique. Il peut s'agir là de déformer la deuxième phase ou d'homogénéiser les composants de la5 deuxième phase dans celle-ci. second phase before consolidation in order to stabilize the martensitic phase. This may involve distorting the second phase or homogenizing the components of the second phase therein.
Les procédés de fabrication du matériau n'exigent aucune étape critique pendant laquelle la deuxième phase devrait être amenée à une forme extérieure déterminée. Pour présenter un amortissement matériel élevé, le10 matériau n'a donc pas besoin d'être chauffé lors d'une The processes for manufacturing the material do not require any critical step during which the second phase should be brought to a given external shape. To exhibit high material damping, the material therefore does not need to be heated during a
étape supplémentaire à une température supérieure à la température de recristallisation du matériau de base. additional step at a temperature above the recrystallization temperature of the base material.
On détaille ci-dessous l'invention à l'aide d'un exemple de réalisation qui en donne d'autres The invention is detailed below using an example embodiment which gives others
particularités, caractéristiques et avantages. features, characteristics and advantages.
Dans une conception du procédé selon l'invention pour la fabrication du matériau, on utilise une poudre atomisée dans de l'argon et constituée de l'alliage d'aluminium EN AW-6061, selon DIN EN 573, avec une taille20 de particules inférieure à 45 pm et une poudre de nickel et de titane fabriquée de la même manière avec une taille de particules inférieure à 180 pn et avec une combinaison de 49,9 % atomique de nickel et 50,1 % atomique de titane. Le mélange de poudres placé dans des capsules25 contient 10 % volumétrique de poudres de nickel et de titane, le reste étant de la poudre de l'alliage d'aluminium EN AW-6061. Pour éviter des pores contenant du gaz, le mélange est dégazé à température ambiante et la capsule est fermée pour être étanche au gaz. La30 consolidation du matériau s'effectue par compression isostatique à température élevée pendant deux heures à In a design of the process according to the invention for the manufacture of the material, a powder atomized in argon and consisting of the aluminum alloy EN AW-6061, according to DIN EN 573, with a smaller particle size is used. at 45 μm and a powder of nickel and titanium produced in the same way with a particle size of less than 180 pn and with a combination of 49.9 atomic% of nickel and 50.1 atomic% of titanium. The powder mixture placed in capsules25 contains 10% by volume of nickel and titanium powders, the rest being powder of the aluminum alloy EN AW-6061. To avoid pores containing gas, the mixture is degassed at room temperature and the capsule is closed to be gas tight. The consolidation of the material is carried out by isostatic compression at high temperature for two hours at
une pression de 2 000 bars et à une température de 540 C. a pressure of 2,000 bars and a temperature of 540 C.
Dans un matériau fabriqué selon ce procédé, les particules de nickel et de titane sont réparties de In a material produced according to this process, the particles of nickel and titanium are distributed
7 manière homogène dans l'alliage d'aluminium EN AW-6061. 7 homogeneously in the aluminum alloy EN AW-6061.
La résistance à la traction de ce matériau correspond à celle d'un matériau fabriqué par compression isostatique à température élevée et constitué seulement de l'alliage d'aluminium EN AW-6061. En outre, le matériau a un allongement à la rupture supérieur à 10 %, ce qui permet une utilisation comme matériau de structure. On dégaze à froid et/ou à chaud le mélange de matériau de base et de la deuxième phase avant la The tensile strength of this material corresponds to that of a material manufactured by isostatic compression at high temperature and consisting only of the aluminum alloy EN AW-6061. In addition, the material has an elongation at break greater than 10%, which allows use as a structural material. The mixture of base material and of the second phase is degassed cold and / or hot before the
consolidation.consolidation.
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