FR3084077A1

FR3084077A1 - Procede d'assemblage hybride de pieces en ceramique ou en composite a matrice ceramique a l'aide d'un materiau d'apport depose puis chauffe sans fusion totale de ce materiau d'apport

Info

Publication number: FR3084077A1
Application number: FR1856772A
Authority: FR
Inventors: Valerie Chaumat; Valerie Merveilleau; Frederic Sanchette; Marc Ferrato; Nadine Lascassies
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Universite de Technologie de Troyes; Mersten Boostec SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Universite de Technologie de Troyes; Mersten Boostec SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: EP3823945A1; WO2020016535A1; FR3084077B1

Abstract

Procédé d'assemblage comprenant les étapes successives suivantes : a) Fourniture d'au moins deux pièces (10, 20) en matériaux à base de céramique, b) Dépôt d'un matériau d'apport (30), sur au moins l'une des deux pièces (10, 20), c) Mise en contact du matériau d'apport (30) avec les deux pièces (10, 20), d) Chauffage de l'ensemble obtenu à l'étape c) jusqu'à une température d'assemblage, e) Refroidissement de l'ensemble de manière à former un joint entre les deux pièces (10, 20), et à assembler les deux pièces (10, 20), la température d'assemblage étant inférieure à la température à laquelle le matériau d'apport (30) est complètement fondu.

Description

PROCEDE D'ASSEMBLAGE HYBRIDE DE PIECES EN CERAMIQUE OU EN COMPOSITE A MATRICE CERAMIQUE A l'AIDE D'UN MATERIAU D'APPORT DEPOSE PUIS CHAUFFE SANS FUSION TOTALE DE CE MATERIAU D'APPORT

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à un procédé d'assemblage hybride d'au moins deux pièces en matériaux à base de céramique ou en composite à matrice céramique par l'intermédiaire d'un matériau d'apport chauffé sans fusion totale de ce matériau d'apport.

Classiquement, les pièces de grandes dimensions et/ou de formes complexes en céramique, en particulier en SiC, sont obtenues à partir de l'assemblage d'éléments de forme simple et/ou de petite taille grâce à un procédé de brasage.

Le brasage consiste à positionner un matériau d'apport, aussi appelé alliage de brasage ou brasure, entre les pièces à assembler ou à proximité et à le faire fondre complètement de façon à ce qu'il remplisse le jeu entre les pièces et crée, au refroidissement, un joint entre les pièces. Après refroidissement, les pièces sont ainsi assemblées par un joint de brasure. Le matériau d'apport présente une température de fusion inférieure à celles des matériaux à assembler, ainsi il n'y a pas fusion des pièces à assembler lors du procédé de brasage.

Différents documents décrivent le brasage de pièces en céramique, comme le SiC. En particulier, le procédé met en œuvre des brasures comprenant de 40 à 97 % atomique de silicium et de 60 à 3 % d'un autre élément métallique. A titre illustratif, ces brasures riches en silicium, peuvent comprendre également de 15 à 19 % atomique de Pr (document FR-A-2 907 448-B1), de 30 à 44 % atomique Y (document FR-A2 936 176), ou encore de 1 à 54 % Nd (document FR-A-2 949 696), ou être du TiSÎ2 (thèse Elodie Jacques, 2012, «Assemblage de composites SiC/SiC de fine épaisseur : recherche d'une composition de joint et d'un procédé associé »). Dans ces documents, les alliages de brasage sont systématiquement complètement fondus.

Pour obtenir des pièces présentant une bonne tenue mécanique et ayant une étanchéité satisfaisante de part et d'autre du joint, le procédé d'assemblage doit satisfaire à plusieurs critères :

a) Des liaisons fortes entre le matériau d'apport et la céramique doivent être créées. Pour cela, le matériau d'apport peut être non-réactif avec la céramique, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de couche de réaction avec formation de nouveaux composés à l'interface, mais il y a des interactions fortes directes entre le matériau d'apport et la céramique. Le matériau peut également présenter une réactivité limitée et contrôlée (formation de composés à l'interface qui n'endommagent pas la liaison). Il ne doit pas conduire à une réaction exacerbée non maîtrisée avec fragilisation de l'interface matériau d'apport / céramique et éventuellement de la céramique.

Dans le cas du SiC, la réactivité est très forte avec la plupart des métaux et peut conduire à la formation de siliciures et de carbures fragiles, de porosités importantes et de fissures se prolongeant dans la céramique, ce qui limite très sérieusement la résistance mécanique des assemblages ainsi formés.

b) Le matériau d'apport doit bien recouvrir les faces à assembler de la céramique après les étapes de dépôt et de traitement thermique. Le matériau d'apport doit être placé correctement sur les faces à assembler après le dépôt et ne pas sortir de ces zones lors du traitement thermique.

Dans le cas particulier de l'assemblage par brasage avec fusion complète de la brasure, celle-ci doit bien mouiller les faces des pièces à assembler lorsqu'elle est fondue, sans toutefois déborder des faces à assembler, pour éviter la formation de fuites de brasure ou de congés de brasure sur les zones à ne pas assembler.

Dans le cas de céramiques poreuses, telles que les composites, le matériau d'apport ne doit pas infiltrer la céramique poreuse ou très légèrement afin que le matériau d'apport reste positionné dans le joint.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

C'est, par conséquent, un but de la présente invention de proposer un procédé d'assemblage d'au moins deux pièces en matériau à base de céramique, permettant de :

- obtenir un assemblage ayant une bonne tenue mécanique,

- obtenir des assemblages avec des joints fins (inférieurs à 100 μιτι) ou avec des joints épais voire très épais (typiquement de 100 à ΙΟΟΟμιτι) selon les contraintes géométriques de l'objet final,

- obtenir des joints présentant une microstructure très homogène avec une bonne répartition des phases constituant le matériau d'apport ou des joints architecturés avec différentes compositions de matériau d'apport maîtrisées,

- éviter la formation de fuites du matériau d'apport hors des joints et la formation de congés,

- assembler des surfaces isolées au sein de l'objet,

- obtenir des joints et assemblages étanches, et notamment des joints assurant une étanchéité sous pression,

- éviter l'infiltration du matériau d'apport dans les pièces à assembler dans le cas de céramique poreuse.

Ce but est atteint par un procédé d'assemblage hybride comprenant les étapes successives suivantes :

a) Fourniture d'au moins deux pièces en matériaux obtenue par frittage de poudres inorganiques non métalliques ou en composite à matrice céramique,

b) Dépôt d'un matériau d'apport par voie sèche, sur au moins l'une des deux pièces,

c) Mise en contact du matériau d'apport avec les deux pièces,

d) Chauffage de l'ensemble obtenu à l'étape c), jusqu'à une température d'assemblage, et la température d'assemblage étant maintenue pendant une durée de maintien,

e) Refroidissement de l'ensemble de manière à former un joint entre les deux pièces, et à assembler les deux pièces, la température d'assemblage étant inférieure à la température à laquelle le matériau d'apport est complètement fondu.

La température d'assemblage est inférieure à la température de fusion du matériau d'apport. Par inférieure, on entend qu'elle est strictement inférieure.

Par température de fusion, on entend une température à laquelle tout le matériau d'apport est à l'état liquide. Dans le cas d'un alliage, il s'agit de la température du liquidus. Dans le cas particulier d'un alliage eutectique, il s'agit de la température de l'eutectique. Dans le cas d'un alliage décalé par rapport à l'eutectique, c'est-à-dire un alliage hyper eutectique ou hypo eutectique, il s'agit de la température du liquidus. Dans le cas particulier d'un composé défini à fusion congruente, il s'agit du point de fusion.

Le terme céramique défini au sens large comprend les solides inorganiques non métalliques. Dans le cadre de la présente invention, on entend par céramique un matériau obtenu par frittage de poudres inorganiques non métalliques (par exemples carbures, siliciures, oxydes, nitrures). On entend aussi par composites à matrice céramique un matériau formé de l'association d'une fibre en céramique (exemple fibre d'alumine, fibre de carbure de silicium, fibre de carbone) noyée dans une matrice en céramique élaborée par voie liquide ou gazeuse.

L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par le fait que le matériau d'apport, lors de l'assemblage hybride, n'est pas complètement fondu. Il est soit fondu partiellement (c'est-à-dire sous état semi-solide) soit non fondu (c'est-àdire à l'état solide).

Selon la présente invention, un matériau qui n'est pas complètement fondu est un matériau qui présente une phase mixte liquide/solide (dit également état semi-solide), particulièrement en majorité à phase solide, encore plus particulièrement une phase mixte pour laquelle le pourcentage massique de liquide est inférieur à 10% préférentiellement inférieur à 5%.

Selon le mode de réalisation choisi, différentes compositions de matériau d'apport peuvent être utilisées, ce qui permet d'utiliser un large choix de compositions en fonction de l'application visée.

Le procédé d'assemblage hybride selon l'invention, permet, dans un premier temps, de revêtir de manière contrôlée et maîtrisée des zones à assembler avec le matériau d'apport, puis d'assembler les pièces revêtues, en évitant notamment les problèmes liés au mouillage, à la formation de congés, ou encore aux fuites du matériau d'apport hors des zones à assembler. Le matériau d'apport est soit solide soit semi-solide. Ce revêtement peut aussi être architecturé.

Le maintien du matériau d'apport dans sa zone de dépôt est plus aisé en phase solide ou semi-solide qu'avec fusion totale telle que mise en œuvre en brasage. Le fait de ne pas fondre le matériau d'apport ou seulement partiellement favorise le maintien du matériau d'apport dans le joint.

Le procédé selon l'invention assure une bonne tenue mécanique des joints formés. La tenue du joint, pour un même matériau d'apport donné, est au moins égale, voire supérieure, à celle d'un procédé de brasage traditionnel (mettant en œuvre la fusion totale du matériau d'apport ou de la brasure).

Le procédé selon l'invention, est un procédé d'assemblage hybride, non réactif ou avec réactivité limitée et contrôlée, conduisant à la formation d'un joint réfractaire ou moyennement réfractaire, en fonction de la nature du matériau d'apport. Par réfractaire, on entend que le joint possède une bonne résistance aux effets induits par les hautes températures (propriétés mécaniques satisfaisantes au moins jusqu'à 1000°C, voire 1600°C). Par moyennement réfractaire, on entend que le joint possède une bonne résistance aux effets induits par les moyennes températures jusqu'à 600°C, voire 800°C.

Des pièces de grandes dimensions et/ou de formes complexes peuvent ainsi être assemblées.

Avantageusement, le matériau d'apport est un alliage, et la température d'assemblage est inférieure à la température du solidus du matériau d'apport.

Avantageusement, le matériau d'apport est un alliage et la température d'assemblage est comprise entre les températures de solidus et de liquidus.

Avantageusement, les matériaux à base de céramique sont choisis parmi les céramiques non oxydes tels que le carbure de silicium, le nitrure de silicium, et le nitrure d'aluminium, les céramiques oxydes telles que l'alumine, le saphir, la mullite et la zircone, les composites à matrices céramiques non oxydes (par exemple les composites SiC / SiC à matrice SiC et fibres SiC, les composites C/ SiC, les composites C/C) et les composites à matrices céramiques oxydes (par exemple les composites à matrice alumine et fibres alumine). Le procédé permet d'assembler des pièces en céramiques, oxydes ou non oxydes, poreuses ou non poreuses, composites ou non composites, avec ou sans revêtement préalable d'étanchéification des céramiques poreuses. En particulier, ce procédé évite que le matériau d'apport migre dans les porosités des pièces poreuses à assembler au détriment de la formation du joint.

Avantageusement, l'étape b) est réalisée en déposant le matériau d'apport par voie sèche sur au moins l'une des deux pièces, et de préférence sur les deux pièces à assembler.

Selon une première variante avantageuse, le matériau d'apport est déposé par projection thermique et l'épaisseur du matériau d'apport déposé va de ΙΟΟμιτι à 500 μιτι, de préférence de 100 μιτι à 300μιτι. Le procédé permet de réaliser des joints très épais tout en garantissant une bonne répartition des phases du matériau d'apport, ce qui n'est pas observé avec le procédé de brasage traditionnel. Par joint épais, on entend un joint dont l'épaisseur est supérieure à ΙΟΟμιτι.

Avantageusement, selon cette première variante, le procédé comporte une étape, entre l'étape b) et l'étape c), dans laquelle le matériau d'apport déposé est rectifié ou poli.

Selon une deuxième variante avantageuse, le matériau d'apport est déposé par dépôt physique en phase vapeur et l'épaisseur du matériau d'apport déposé va de Ιμιτι à 20μιτι.

Selon une troisième variante avantageuse, le matériau d'apport est déposé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) thermique ou assisté par plasma.

Ces différentes variantes utilisent des techniques de dépôt parfaitement maîtrisées à un niveau industriel et pour lesquelles il est également possible d'utiliser des masques pour délimiter les zones à assembler et les zones à laisser intactes. Ces techniques permettent d'obtenir toutes les compositions recherchées, sans limites, de faire varier la composition du revêtement pendant le procédé de dépôt (gradient de composition), de faire des multicouches, ou un matériau avec une architecture contrôlée.

Avantageusement, lors de l'étape c), une pression est appliquée lors de la mise en contact du matériau d'apport avec les deux pièces.

Avantageusement, l'étape d) est réalisée sous vide, sous gaz neutre ou sous air.

Selon une variante avantageuse, le matériau d'apport comprend au moins 40% atomique de silicium.

Avantageusement, le matériau d'apport peut comprendre au moins 99% atomique de silicium. Avec le procédé de l'invention, le matériau d'apport est solide ou partiellement fondu, ce qui permet d'utiliser du silicium presque pur (au moins 99% atomique de silicium) ou pur (100% atomique de silicium). Dans ce mode de réalisation, le procédé se fait en phase solide en dessous du point de fusion du silicium.

Avantageusement, le matériau d'apport peut comprendre de 40% à 97% atomique de silicium et un élément additionnel. De préférence, l'élément additionnel est métallique.

Avantageusement, l'élément additionnel est choisi parmi les éléments suivants Ag, B, Ge, Cr, Co, Ce, Cu, Hf, Ti, V, Zr, Nd, Pr, Ru, Rh, Re, Y, Ir, Ni, Pt, Pd, Mo, et W. De nombreuses compositions de matériau d'apport peuvent être utilisées. On choisira, avantageusement, une composition avec un nombre limité d'éléments (de préférence deux, éventuellement trois), si possible sans éléments onéreux pour faciliter sa préparation et sa mise en œuvre, et/ou réduire les coûts de préparation.

Avantageusement, le matériau d'apport (30) est un alliage de silicium et de cobalt qui comprend de 58% à 97% atomique en silicium et de 42 % à 3% atomique en cobalt.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1350°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en Cobalt de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1259°C pour 77.5% at. Si 22.5% at. Co et T_Eutectique2 = 1310°C pour 61.8% at. Si - 38.2% at. Co), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de zirconium qui comprend 60% à 97% atomique de silicium et 40 % à 3% atomique de zirconium.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1600°C, de préférence 1200 à 1550°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semisolide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en Zirconium de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1370°C pour 90% at. Si - 10% at. Zr), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de chrome qui comprend 50% à 97% atomique de silicium et 50 % à 3% atomique de chrome.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1420°C, de préférence entre 1200°C et 1420°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en chrome de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1305°C pour 82% at. Si - 18% at. Cr et ÎEutectique? = 1390°C pour 56% at. Si - 44% at. Cr), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de cérium qui comprend 53% à 97% atomique de silicium et 47 % à 3% atomique de cérium.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1550°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en chrome de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1200°C pour 87% at. Si - 13% at. Ce et ÎEutectique? = 1400°C pour 53% at. Si - 47% at. Cr), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de hafnium qui comprend 66% à 97% atomique de silicium et 44 % à 3% atomique de hafnium.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1500°C, de préférence entre 1200°C et 1500°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en hafnium de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1330°C pour 91.5% at. Si 8.5% at. Hf), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de titane qui comprend 60% à 97% atomique de silicium et 40 % à 3% atomique de titane.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1450°C, de préférence entre 1200°C et 1420°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en titane de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (T_Eutectiquei = 1330°C pour 83.8% at. Si 16.2% at. Ti et ÎEutectique? = 1480°C pour 64.2% at. Si - 35.8% at. Ti), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de vanadium qui comprend 55% à 97% atomique de silicium et 45 % à 3% atomique de vanadium.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1600°C, de préférence entre 1200°C et 1550°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en vanadium de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1400°C pour 97% at. Si - 3% at. V et ÎEutectique? = 1640°C pour 59% at. Si - 41% at. V), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de néodyme qui comprend 56% à 97% atomique de silicium et 44 % à 3% atomique de néodyme.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1600°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en néodyme de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (T_Eutectiquei = 1197°C pour 83% at. Si - 17% at. Nd et ÎEutectique? = 1577°C pour 56% at. Si - 44% at. Nd), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de praséodyme qui comprend 58% à 97% atomique de silicium et 42 % à 3% atomique de praséodyme.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en praséodyme de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1212°C pour 83% at. Si - 17% at. Pr et ÎEutectique? = 1542°C pour 58% at. Si - 42% at. Pr), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et de rhénium qui comprend 40% à 97% atomique de silicium et 60 % à 3% atomique de rhénium.

Avantageusement, selon cette variante, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1600°C, de préférence entre 1200 °C et 1600 °C en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en rhénium de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1380°C pour 90% at. Si - 10% at. Re et T_Eutectique2 = 1770°C pour 39% at. Si - 51% at. Re), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Avantageusement, le matériau d'apport comprend un alliage de silicium et d'ytrium qui comprend 40% à 97% atomique de silicium et 60 % à 3% atomique d'ytrium.

En d'autres termes, la température d'assemblage est déterminée en fonction de la teneur en rhénium de l'alliage. Plus particulièrement, la température d'assemblage peut être maintenue à une température inférieure à la température eutectique pour un assemblage en phase solide (TEutectiquei = 1215°C pour 82% at. Si - 17% at. Y et ÎEutectiquez = 1710°C pour 41% at. Si - 59% at. Y), soit à une température comprise entre la température eutectique et la température du liquidus pour un assemblage dans le domaine semi-solide.

Selon une autre variante avantageuse, le matériau d'apport est un alliage à base d'argent, tel que AgZr, ou à base d'argent-cuivre, tel que AgCuTi. On déposera ce matériau de préférence de façon à favoriser la présence de Ti ou Zr proche de la céramique.

Selon une autre variante avantageuse, le matériau d'apport est un oxyde, un mélange d'oxydes ou un verre.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:

- la figure 1 est une représentation schématique, en coupe et de profil de deux pièces à assembler et d'un matériau d'apport, en configuration « sandwich », selon un mode de réalisation particulier de l'invention,

- la figure 2 représente un cliché obtenu au microscope optique de la surface d'une brasure déposée par projection thermique sur une pièce à assembler, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,

- la figure 3 représente la microstructure d'un joint obtenu à partir d'une brasure CoSi déposée par projection thermique sur une pièce à assembler, selon un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention,

- les figures 4A et 4B représentent la microstructure d'un joint obtenu après fusion partielle d'une brasure CoSi utilisée pour assembler des pièces en SiC, selon un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, à différents grossissements,

- la figure 5 représente un cliché photographique de deux plaques en SiC sur lesquelles a été déposé par projection thermique un alliage CoSi, selon un mode de réalisation particulier de l'invention,

- la figure 6 représente un cliché photographique d'éprouvettes de flexion 4 points en SiC usinées, le joint de brasage étant obtenu à partir d'un alliage CoSi, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;

- la figure 7 représente un cliché photographique de deux pièces d'une maquette, dite maquette d'éclatement, les pièces étant destinées à être assemblées selon un mode de réalisation particulier de la présente invention afin de mener un test, dit test d'éclatement ;

- la figure 8 représente un cliché photographique des pièces de la figure 7 assemblée selon un mode de réalisation particulier de la présente invention.

Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et pouvant se combiner entre elles.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Le procédé d'assemblage hybride selon l'invention comporte les étapes successives suivantes :

a) Fourniture d'au moins deux pièces 10, 20 en matériaux à base de céramique ou en composite à matrice céramique, à assembler,

b) Dépôt d'un matériau d'apport 30, sur au moins l'une des deux pièces 10, 20, et de préférence sur les deux pièces 10, 20 à assembler,

c) Mise en contact du matériau d'apport 30 avec les deux pièces 10, 20,

d) Chauffage de l'ensemble jusqu'à une température d'assemblage, la température d'assemblage étant avantageusement maintenu pendant une durée de maintien,

e) Refroidissement de l'ensemble de manière à former un joint entre les deux pièces, la température d'assemblage étant inférieure à la température à laquelle le matériau d'apport est complètement fondu.

De manière optionnelle, le procédé peut comprendre une étape de surface bl) exécutée entre les étapes b) et c).

Cette étape bl) est notamment destinée à rendre sur la surface de la couche formée par le matériau d'apport 30 compatible avec la mise en contact (l'assemblage) de l'étape c). Plus particulièrement, l'étape bl) peut être destinée à réduire la rugosité de la surface de la couche formée par le matériau d'apport 30.

Pièces 10, 20 à assembler :

Le procédé permet d'assembler au moins deux pièces 10, 20. Il peut permettre d'assembler plus de pièces, par exemple, trois ou quatre pièces. On peut, par exemple, assembler un plus grand nombre de pièces pouvant aller jusqu'à 100.

Les pièces 10, 20 fournies à l'étape a) peuvent être de toute forme. Les faces à assembler peuvent être planes ou présenter des reliefs. On choisira, avantageusement, des pièces 10, 20 dont les faces 11, 21 à assembler sont planes pour faciliter l'assemblage (figure 1).

Les pièces 10, 20 à assembler peuvent être poreuse.

Les pièces 10, 20 à assembler sont en un matériau à base de céramique.

Elles peuvent être en un même matériau ou en des matériaux différents.

Par matériau à base de céramique, on entend tout matériau dont la teneur en céramique est supérieure à 80% en poids et de préférence supérieure à 90% en poids.

La céramique est, par exemple, choisie, parmi :

- les céramiques non oxydes tels que le carbure de silicium, le nitrure de silicium Si₃N₄ et le nitrure d'aluminium AIN,

- les céramiques oxydes, par exemple en alumine (AI2O3), en silice, en aluminosilicate, telle que mullite (composé défini de formule 3AI2O3.. 2SÎO2 pouvant être obtenu par chauffage de silice en présence d'alumine) et la cordiérite, en zircone ZrCh,

- les composites à matrices céramiques oxydes (matrice oxyde / fibre oxyde par exemple),

- les composites à matrices céramiques non oxydes (matrice non oxyde/fibre non oxyde par exemple, composite SiC/SiC, C/SiC, C/C),

Par carbure de silicium, on entend, par exemple, le carbure de silicium fritté sans pression ( PLS-SiC), le carbure de silicium infiltré Si (appelé SiSiC ou RBSC contenant 5 à 20 % Si), le carbure de silicium recristallisé poreux (appelé RSiC), le graphite silicium (C-SiC) constitué de graphite et recouvert par une couche de SiC par exemple de 0,1 à 1 mm d'épaisseur, ainsi que les composites à matrice céramique SiC/SiC, C/SiC, C/C, etc.

Dans le cas des céramiques oxydes, on préférera un procédé sans fusion de l'alliage pour éviter les problèmes de mouillage des oxydes par les compositions de brasure contenant, notamment, du silicium.

Si une fusion partielle est mise en œuvre, un revêtement de la surface des céramiques oxydes avec une couche de carbone, sera, avantageusement utilisée, pour améliorer le mouillage, comme décrit dans le document FR-A-2831533. Dans le cas des nitrures, une telle couche de carbone pourra également être utilisée.

Matériau d'apport / Brasure :

Le procédé selon la présente invention met en œuvre un matériau d'apport qui peut être en particulier une brasure ou alliage de brasage.

Le matériau d'apport ou brasure, ou composition de brasure, ou alliage de brasage, déposé à l'étape b) à une température de fusion inférieure à celle des pièces 10, 20 à assembler.

Selon un mode de réalisation, le matériau d'apport 30 est riche en silicium. Il comprend au moins 40% atomique de silicium. Il comprend, par exemple, de 40% à 100% atomique de silicium.

Selon une première variante de ce mode de réalisation, le matériau d'apport 30 comprend au moins 99% atomique de silicium. Le matériau d'apport 30 peut être constitué de silicium. Par constitué, on entend qu'il peut contenir des impuretés liées à son procédé de préparation et/ou à sa manipulation. Les impuretés représentent moins de 1 % massique de la composition. Dans ce mode de réalisation, un assemblage hybride sans fusion du matériau d'apport 30 est réalisé.

Selon une deuxième variante de ce mode de réalisation, le matériau d'apport 30 riche en silicium est un alliage de brasage.

L'alliage peut être une composition eutectique ou un composé à fusion congruente dans le cas d'un brasage sans fusion de la brasure 30.

L'alliage de brasage peut être également une composition décalée par rapport à l'eutectique (hypo eutectique ou hyper eutectique). Un tel alliage présente un liquidus et un solidus, c'est-à-dire que l'alliage présente un domaine semi-solide (une partie liquide en équilibre avec une partie solide) entre la température du liquidus T_L et la température du solidus Ts. Dans le procédé de l'invention, un tel alliage peut ne pas être fondu ou être partiellement fondu lors de l'étape d).

De préférence, l'alliage comprend de 40% à 97% atomique de silicium et un ou plusieurs autres éléments choisis parmi les éléments suivants : B, Ag, Cr, Co, Ce, Cu, Hf, Ge, Ti, V, Zr, Nd, Pr, Ru, Rh, Re, Y, Ir, Ni, Pt, Pd, Mo, et W.

De préférence, il s'agit d'un alliage binaire, le second élément représente de 3% à 60% atomique de la brasure 30.

Par exemple, pour le brasage appliqué à des pièces en alumine, on peut utiliser un alliage de silicium comprenant, en pourcentage atomique, 60 à 80% Si et 40 à 20% Co.

Dans le cas d'un procédé mettant en œuvre une fusion partielle du matériau d'apport 30, le matériau d'apport 30 est, par exemple, choisi parmi les alliages présentés dans le tableau 1. Ce tableau indique notamment des gammes de températures d'assemblage permettant une fusion partielle du matériau d'apport en fonction du pourcentage massique de Si dans ledit matériau d'apport.

Alliages	Composition atomique Si	Température d'assemblage (°C)
CrSi	90	1310-1330
76	1310-1360
CoSi	70	1265-1280
85	1265-1275
90	1265 -1300
95	1265 -1350
CeSi	58	1405 -1460
75	1205 -1500
80	1205 -1380
90	1205 -1260
HfSi	70	1335 -1500
85	1335 -1370
95	1335 -1360
TiSi	70	1335 -1440
80	1335 -1350
90	1335 -1350
95	1335 -1360
VSi	75	1405 -1600
85	1405 -1500
90	1405 -1450
ZrSi	80	1375-1520
97	1375 -1380
NdSi	70	1205 -1480
75	1205 -1360
95	1205 -1340
PrSi	75	1220 -1400
90	1220-1270
ReSi	80	1390-1600
95	1390-1395
YSi	75	1220-1350
90	1220-1280
95	1220-1350
Tableau 1. Exemples avec fusion partiel	e (état semi - solide).

Dans le cas d'un procédé mettant en œuvre une étape d'assemblage sans fusion du matériau d'apport 30, le matériau d'apport 30 est, par exemple, choisi parmi les alliages listés dans le tableau 2. Ce tableau indique notamment des gammes de températures d'assemblage permettant sans fusion du matériau d'apport en fonction du pourcentage massique de Si dans ledit matériau d'apport.

Alliages	Composition atomique Si	Température d'assemblage (°C)
CrSi	50-97	1200-1280
50-65	1200-1360
66.67	1200 -1420
CoSi	58-97	1150°C-1220
58-67	1200-1270
77.5	1150-1220
CeSi	53-97	1100-1160
53-60	1200-1350
87	1100-1160
HfSi	66-97	1100-1300
91.5	1100-1300
TiSi	60-97	1100-1300
60-66	1100-1450
83.8	1100-1300
VSi	55-97	1100-1360
55-67	1100-1600
97	1100-1360
ZrSi	60-97	1100-1330
90	1100-1340
NdSi	56-97	1100-1160
56-67	1100-1500
83	1100-1160
PrSi	58-97	1100-1170
58-67	1100-1500
83	1100-1170
ReSi	40-97	1100-1350
40-64	1100-1600
90	1100-1350
YSi	40 -97	1100-1175
40-50	1100-1600
66-68	1220-1450
82	1100-1175
Tableau 2. Exemples sans fusion	état solide).

Selon un autre mode de réalisation, le matériau d'apport 30 est un alliage à base d'argent ou d'argent-cuivre. Il s'agit, par exemple, de l'alliage AgCuTi. Il s'agit d'une matrice Ag-Cu et d'un élément actif Ti à faible concentration, par exemple avec 1 à 10 % massique de Ti. Cet alliage est moins réfractaire que les alliages à base de silicium.

Selon un autre mode de réalisation, le matériau d'apport 30 est un oxyde, un mélange d'oxydes ou un verre.

Le matériau d'apport ou brasure 30 peut être sous la forme d'une poudre dont la composition est celle de la brasure 30 ou d'un mélange de poudres dont la composition globale correspond à celle de la brasure 30. Cette forme poudre est, par exemple, utilisée pour réaliser le dépôt par projection thermique.

Le matériau d'apport peut aussi être sous forme massive (par exemple pour être ensuite mis en œuvre lors du dépôt PVD), soit un matériau massif dont la composition est celle du matériau d'apport, soit plusieurs matériaux massifs purs qui interviennent dans la composition du matériau d'apport.

Dépôt du matériau d'apport 30 :

Lors de l'étape b), le matériau d'apport 30 est déposé au moins sur l'une des pièces 10, 20 à assembler. Par exemple, sur la figure 1, il est déposé uniquement sur la face 21 de l'une des pièces 20 à assembler.

De préférence, il est déposé sur toutes les pièces 10, 20 à assembler, c'est-à-dire sur chacune des faces 11, 21 à assembler.

Le matériau d'apport 30 recouvre partiellement ou totalement la ou les faces 11, 21 à assembler. De préférence, le matériau d'apport 30 recouvre totalement la face 11, 21 à assembler.

Une fois déposé, le matériau d'apport forme un revêtement constitué d'un alliage ou d'un élément pur ou d'un multicouches ou d'un matériau à gradient ou architecturé.

Avantageusement, avant de déposer le matériau d'apport 30, les faces 11, 21 des pièces 10, 20 à assembler sont dégraissées dans un solvant organique, par exemple du type alcool, cétone, ester, éther, ou un mélange de ceux-ci, etc.

De préférence, le matériau d'apport 30 est déposé par une technique de dépôt par voie sèche.

Selon un premier mode de réalisation, il peut s'agir de tout procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD). La vapeur peut être obtenue par pulvérisation cathodique magnétron (conventionnelle ou HiPIMS), par évaporation thermique, par faisceau d'électrons, ou par évaporation par arc cathodique.

La pulvérisation cathodique magnétron est une technique de dépôt de couches minces à basse pression et basse température en présence d'un plasma froid, à partir d'une ou plusieurs cibles. Dans ce mode de réalisation, le matériau d'apport 30 peut être obtenue soit à partir d'une seule cible (disque massif) dont la composition est identique à celle du matériau d'apport 30 souhaitée, soit à partir de plusieurs cibles pures, chaque cible correspondant à un constituant du matériau d'apport 30, soit à partir de cibles pures et de cibles alliées (ou composites) intervenant dans la composition du matériau d'apport. La ou les cibles sont pulvérisées et les paramètres du procédé sont définis de façon à obtenir la composition visée ou une architecture contrôlée (soit par pulvérisation de la cible de composition celle du matériau d'apport 30, soit par copulvérisation des cibles pures, soit par co-pulvérisation des cibles pures et des cibles alliées ou composites). L'épaisseur des dépôts obtenus peut varier entre quelques nanomètres (par exemple 5nm) à quelques dizaines de micromètres (par exemple 20pm).

De préférence, l'épaisseur du matériau d'apport 30 déposée sur les pièces 10, 20 à assembler va lpm à 20pm, par exemple de l'ordre de 10 pm. le dépôt obtenu est adhérent et peu rugueux, et peut notamment présenter une rugosité inférieure à 1 pm, et plus particulièrement comprise entre 0,2 pm et 0,3 pm. Il n'est donc pas nécessaire de rectifier ou polir la couche formée par le matériau d'apport.

Selon un deuxième mode de réalisation, le matériau d'apport 30 est déposé par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) thermique ou par dépôt chimique en phase vapeur assisté plasma (PECVD).

Selon un troisième mode de réalisation, le matériau d'apport 30 est déposé par un procédé par projection. De préférence, il s'agit d'une projection thermique, par exemple une projection thermique plasma dans une enceinte sous basse pression. Lors du dépôt par projection thermique, le matériau d'apport 30, sous forme de poudre, est projetée grâce à un gaz vecteur sur le substrat à revêtir. La projection thermique peut être réalisée sous atmosphère inerte ou sous air.

L'homme du métier choisira avantageusement un dépôt par projection thermique sous atmosphère inerte pour éviter d'oxyder les éléments du matériau d'apport 30 (dans le cas où les matériaux d'apport sont susceptibles de s'oxyder).

L'homme du métier pourra également choisir de réaliser le dépôt par projection thermique sous air, par exemple, pour les brasures à base de Si ou encore dans le cas où on projette des oxydes ou des verres.

Ce mode de réalisation permet de recouvrir les pièces 10, 20 à assembler par une couche de matériau d'apport 30 ayant une épaisseur allant de 100 μιτι à 300μιτι.

La couche obtenue présente une structure lamellaire.

Dans ce troisième mode de réalisation, l'étape de dépôt est, de préférence, suivie par une étape dans laquelle on diminue la rugosité du matériau d'apport 30 déposée. En effet, la projection thermique conduit à un dépôt de forte rugosité (typiquement supérieure à 20μιτι, voire supérieure à 40μιτι, figure 2). Des creux et des bosses avec des écarts maximums de quelques dizaines de micromètres sont observés.

Cette étape peut être réalisée en rectifiant ou en polissant la composition de brasure déposée. La rectification peut être réalisée par usinage avec une meule diamant. La rugosité Ra est réduite jusqu'à une valeur allant de 0,1 μιτι à 1 μιτι. La rugosité peut être mesurée avec un interféromètre ou avec un rugosimètre.

Pour les autres modes de réalisation, les pièces 10, 20 peuvent être assemblées sans modifier la rugosité du matériau d'apport 30 déposée.

Mise en contact des pièces 10, 20 à assembler :

Lors de l'étape c), les faces 11, 21 des pièces 10, 20 à assembler sont mises en contact.

Le matériau d'apport ou la brasure 30 est, de préférence, en contact direct avec les pièces à assembler. Il n'y a pas d'éléments intercalaires entre le matériau d'apport et les pièces 10, 20 à assembler.

Comme représenté sur la figure 1, le matériau d'apport 30 est intercalée entre les faces 11, 21 des pièces 10, 20 à assembler (configuration dite « sandwich »).

Un outillage peut être utilisé pour bien maintenir le contact entre les surfaces.

De préférence, une pression est appliquée sur les pièces 10, 20 à assembler. Cette pression est légère dans le cas d'un mode de réalisation avec fusion partielle et plus importante dans un mode de réalisation sans fusion. La pression peut être exercée, par exemple, par serrage d'un outillage ou par dilatation d'un outillage ou avec une machine de compression uni axiale à chaud ou par compression isostatique à chaud. Une pression de 2 à 30MPa et, de préférence, de 5 à 30 MPa peut être appliquée. Dans le cas des matériaux composites, on se limitera, avantageusement, à une pression de 20 MPa voire 10 MPa pour ne pas détériorer les pièces 10, 20.

Assemblage :

Lors de l'étape d), le matériau d'apport 30 et les pièces 10, 20 à assembler sont soumises à un traitement thermique. Le traitement thermique est réalisé à une température correspondant à la température d'assemblage, aussi appelée température maximale de palier, pour réaliser l'assemblage, à proprement dit, de manière à former un joint et un objet unique assemblé. Avantageusement, la température d'assemblage est maintenue pendant une durée déterminée, dite durée de maintien, de manière à réaliser un palier à la température d'assemblage.

La température d'assemblage, ainsi que la durée de maintien peuvent être déterminées par des phases de test d'assemblage et de caractérisation du joint formé par le matériau d'apport. La caractérisation du joint peut notamment être exécutée via un test mécanique permettant d'évaluer les liaisons entre le matériau d'apport et les surface des pièces à assembler. Le résultat de ces essais permet alors de déterminer le couple température d'assemblage/durée de maintien le plus approprié dépendamment des caractéristiques du joint requises.

Selon un premier mode de réalisation, la température d'assemblage est choisie de manière à faire fondre partiellement le matériau d'apport ou le matériau d'apport 30, ce qui permet de former le joint et de fortes interfaces pièce/joint. La température de palier est inférieure à la température de fusion du matériau d'apport 30. Dans ce mode de réalisation, le matériau d'apport 30 est un alliage possédant un liquidus et un solidus. La température de palier est supérieure à la température du solidus Ts et inférieure à celle du liquidus T_L de l'alliage. On choisira, avantageusement, un domaine entre le liquidus et le solidus pas trop étroit, c'est-à-dire avec un écart d'au moins 50°C entre le liquidus et le solidus, pour réaliser l'assemblage avec fusion partielle. De préférence, la température est inférieure d'au moins 10 à 30°C à la température du liquidus du matériau d'apport 30. De préférence, on choisira une température d'assemblage inférieure d'au moins 10 à 20°C, ou de 20 à 30°C, à la température du liquidus du matériau d'apport 30.

Selon un deuxième mode de réalisation, la température de palier est choisie de manière à ne pas faire fondre l'alliage. L'homme du métier choisira une température inférieure à la température de fusion ou à la température du solidus du matériau d'apport 30 afin de ne pas fondre l'alliage. De préférence, la température est inférieure de 20 à 200 °C à la température de fusion ou à la température du solidus du matériau d'apport 30 afin de ne pas fondre l'alliage. De préférence, on choisira une température de palier inférieure de 30 à 150°C, et encore plus préférentiellement de 50 à 100°C, à la température de fusion ou à la température du solidus du matériau d'apport 30. Le matériau d'apport ou le matériau d'apport 30 ne présente pas nécessairement un liquidus et un solidus distincts, c'est-à-dire que le matériau d'apport 30 peut être une composition eutectique (fusion totale dès que la température de l'eutectique est atteinte) ou un composé défini avec fusion congruence donc sans domaine semi-solide. Ce mode de réalisation n'est pas limité aux matériaux d'apport avec un domaine liquidus - solidus étendu d'au moins 50°C.

De préférence, le traitement thermique est réalisé sous vide et/ou sous gaz neutre. Par gaz neutre, on entend un gaz inerte, tel que de l'argon. Il peut également être réalisé sous air pour certains matériaux d'apport.

Généralement, le vide est un vide secondaire, c'est-à-dire que la pression est de 10^-3 à 10^-4 Pa.

Avant d'atteindre la température maximale de palier, on peut effectuer tout d'abord un premier palier de température inférieure qui permet d'homogénéiser la température sur l'ensemble des pièces et outillage. Le premier palier est effectué dans le domaine solide par exemple à une température de 100°C à 200°C en dessous du palier d'assemblage pendant une durée par exemple de 0,5 à 1 heure.

Lors de l'étape e), l'ensemble est refroidi jusqu'à la température ambiante (20-25°C).

Dans le domaine de l'assemblage, les applications du procédé selon l'invention, sont multiples. On peut citer, entre autres, les domaines de l'aéronautique et du spatial, le génie thermique, notamment les échangeurs de chaleur, les condenseurs, le génie chimique, notamment les réacteurs chimiques, la mécanique, notamment les pièces 10, 20 de friction, les outils d'usinage/de découpe.

Nous allons maintenant décrire un mode de réalisation particulièrement avantageux.

Exemples illustratifs et non limitatifs d'un mode de réalisation :

Exemple 1 : Assemblage SiC fritté / brasure 30 CoSi déposée par projection thermique sous vide/ SiC fritté obtenu après fusion partielle du matériau d'apport 30.

Dans cet exemple, deux pièces 10, 20 de SiC, de dimensions 15 mm x 15 mm x 5 mm, sont assemblées avec une brasure 30 comprenant un alliage lOCo —90Si (% atomique).

L'alliage a été élaboré par mélange de poudres Si et CoSi₂ et mis en forme par un procédé d'agglomération séchage.

Le matériau d'apport 30 a été déposé par projection thermique sous vide (120 mbar) par plasma d'arc soufflé sur les faces 11, 21 à assembler de chaque pièce. Un dépôt dense et adhérent, d'une épaisseur de 150μιτι, est ainsi obtenu. Il présente une fine structure lamellaire et biphasée, formée de lamelles de Si et de lamelles de CoSÎ2 (figure 3).

Les faces 11, 21 revêtues sont polies puis nettoyées avec de l'acétone puis avec de l'éthanol. Les faces 11, 21 ainsi préparées sont mises en contact et maintenues par un outillage. L'outillage permet d'éviter tout décalage entre les pièces 10, 20 pendant les opérations ultérieures.

L'ensemble est placé dans un four, sous vide secondaire, puis chauffé jusqu'à 1200°C, pendant 2 heures, puis chauffé jusqu'à 1300°C, pendant 5 minutes. Le matériau d'apport 30 est partiellement fondu à une telle température.

Après refroidissement, les deux plaques en carbure de silicium sont parfaitement assemblées. Aucune décohésion n'est observée.

L'assemblage obtenu a été découpé, enrobé et poli pour être observé en microscopie électronique à balayage (figures 4A et 4B). Les images obtenues sont représentées sur les figures 4A et 4B. Le joint est bien rempli par le matériau d'apport 30. La microstructure est très homogène avec une bonne répartition des phases CoSi₂ (en blanc sur les figures 4A et 4B) et Si (en gris).

Le joint de brasage est plus homogène qu'un joint de brasage qui serait obtenu après fusion totale et solidification. Un tel joint présenterait une structure hétérogène avec des cristaux primaires de Si et eutectique.

Exemple 2 : Assemblage de SiC fritté / brasure 30 CoSi déposée par projection thermique sous vide / SiC fritté obtenu après fusion partielle du matériau d'apport 30, fabrication d'éprouvettes deflexion 4 points et test en flexion 4 points.

Dans cet exemple, des éprouvettes de flexion 4 points sont obtenues par assemblage de deux plaques SiC (de dimensions 120 mm x 26 mm x 7 mm) avec une brasure 30 identique à celle de l'exemple 1.

Le matériau d'apport 30 a été déposé par projection thermique sous vide par plasma d'arc soufflé sur les faces 11, 21 à assembler de chaque plaque (figure 5). Les faces 11, 21 revêtues sont rectifiées, puis positionnées l'une contre l'autre dans un outillage de maintien et serrage. Cet ensemble est placé dans un four sous vide secondaire puis chauffé jusqu'à 1200°C, pendant 2 heures, puis chauffé jusqu'à 1330°C, pendant 15 minutes.

Après la réalisation du cycle thermique, les deux plaques sont solidaires et des éprouvettes de flexion 4 points (50 x 4 x 3 mm³) sont usinées dans cet ensemble (figure 6). Elles présentent une épaisseur de joint de l'ordre de 180 pm.

Onze éprouvettes ont été caractérisées à 20°C et cinq éprouvettes ont été caractérisées à 1000°C. A 20 °C, elles présentent des contraintes à la rupture entre 41 et 63 MPa (moyenne : 56 MPa). A 1000°C, les contraintes à la rupture sont entre 138 et 230 MPa (moyenne : 180 MPa).

Exemple 3 : Assemblage de SiC fritté / brasure 30 CoSi déposée par projection thermique sous air / SiC fritté obtenu après fusion partielle du matériau d'apport 30, fabrication d'éprouvettes deflexion 4 points et test en flexion 4 points.

Le matériau d'apport 30 a été déposé par projection thermique sous air par plasma d'arc soufflé sur les faces 11, 21 à assembler de chaque plaque. Les faces 11, 21 revêtues sont rectifiées, puis positionnées l'une contre l'autre dans un outillage de maintien et serrage. Cet ensemble est placé dans un four sous vide secondaire puis chauffé jusqu'à 1200°C, pendant 2 heures, puis chauffé jusqu'à 1330°C, pendant 15 minutes.

Après la réalisation du cycle thermique, les deux plaques sont solidaires et des éprouvettes de flexion 4 points (50 x 4 x 3 mm³) sont usinées dans cet ensemble (figure 6). Elles présentent une épaisseur de joint de l'ordre de 150 pm.

Quatre ont été caractérisées à 20°C et cinq éprouvettes ont été caractérisées à 1000°C. A 20 °C, elles présentent des contraintes à la rupture entre 47 et 63 MPa (moyenne : 54 MPa). A 1000°C, les contraintes à la rupture sont entre 118 et 137 MPa (moyenne : 129 MPa).

Exemple 4 : Assemblage de SiC fritté / brasure 30 CoSi déposée par PVD sous vide / SiC fritté obtenu après fusion partielle du matériau d'apport 30, fabrication d'éprouvettes deflexion 4 points et test en flexion 4 points.

Dans cet exemple, des éprouvettes de flexion 4 points sont obtenues par assemblage de deux plaques SiC (de dimensions 120 mm x 26 mm x 7 mm) avec une brasure 30 comprenant un alliage lOCo —90Si (% atomique).

L'alliage SiCo a été déposé sur les faces à assembler par pulvérisation cathodique magnétron par co-pulvérisation de cibles de Si et de Co. Un dépôt dense et adhérent, d'une épaisseur de 15 à 20 μιτι, est ainsi obtenu. Les faces 11, 21 revêtues sont positionnées l'une contre l'autre dans un outillage de maintien et serrage. Cet ensemble est placé dans un four sous vide secondaire puis chauffé jusqu'à 1200°C, pendant 2 heures, puis chauffé jusqu'à 1330°C, pendant 15 minutes.

Après la réalisation du cycle thermique, les deux plaques sont solidaires et des éprouvettes de flexion 4 points (50 x 4 x 3 mm³) sont usinées dans cet ensemble (11 éprouvettes). Elles présentent une épaisseur de joint de l'ordre de 35 μιτι.

Ces éprouvettes ont été caractérisées à 20°C et présentent des contraintes à la rupture entre 54 et 116 MPa, moyenne à 92 MPa (sur 6 éprouvettes). A 1000°C, les contraintes à la rupture sont entre 131 et 168 MPa (moyenne : 147 MPa sur 5 éprouvettes).

Exemple 5 : Assemblage SiC fritté / brasure 30 ZrSi déposée par PVD sous vide/ SiC fritté obtenu sans fusion du matériau d'apport 30, fabrication d'éprouvettes de flexion 4 points et test en flexion 4 points.

Dans cet exemple, des éprouvettes de flexion 4 points sont obtenues par assemblage de deux plaques SiC (de dimensions 120 mm x 26 mm x 7 mm) avec une brasure 30 comprenant un alliage 10Zr-90Si (% atomique).

L'alliage SiZr a été déposé sur les faces à assembler par pulvérisation cathodique magnétron par co-pulvérisation de cibles de Si et de Zr. Un dépôt dense et adhérent, d'une épaisseur de 20 à 25 pm, est ainsi obtenu. Les faces 11, 21 revêtues sont positionnées l'une contre l'autre dans un outillage de maintien et serrage. Cet ensemble est placé dans un four sous vide secondaire puis chauffé jusqu'à 1200°C, pendant 2 heures, puis chauffé jusqu'à 1330°C, pendant 10 heures.

Après la réalisation du cycle thermique, les deux plaques sont solidaires et des éprouvettes de flexion 4 points (50 x 4 x 3 mm³) sont usinées dans cet ensemble (10 éprouvettes). Elles présentent une épaisseur de joint de l'ordre de 45 pm.

Ces éprouvettes ont été caractérisées à 20°C et présentent des contraintes à la rupture entre 47 et 77 MPa, moyenne à 57 MPa sur 10 éprouvettes.

Exemple 6 : Assemblage d'une maquette d'éclatement : SiC fritté / brasure ZrSi déposée par projection thermique sous vide/ SiC fritté obtenu sans fusion du matériau d'apport. Test d'éclatement.

Dans cet exemple, deux plaques en SiC, de dimensions 115 mm x 80 mm x 10.5 mm avec un usinage au centre, dont une plaque avec un trou, (voir figure 7), sont assemblées avec une brasure comprenant un alliage lOZr —90Si (%atomique) (la brasure apparaît en gris, le SiC non revêtu en noir).

L'alliage a été élaboré par mélange de poudres Si et ZrSiz et mis en forme par un procédé d'agglomération séchage.

Le matériau d'apport 30 a été déposé par projection thermique sous vide (120 mbar) par plasma d'arc soufflé sur les faces à assembler de la maquette, des masques recouvrent la zone usinée interne afin de ne pas être revêtues. Un dépôt dense et adhérent, d'une épaisseur de 280 pm, est ainsi obtenu sur chaque.

Les faces revêtues sont rectifiées pour atteindre une épaisseur de 100 pm de dépôt. Les pièces sont ensuite nettoyées avec de l'acétone puis avec de l'éthanol. Les faces ainsi préparées sont mises en contact et maintenues par un outillage de serrage.

L'ensemble est placé dans un four, sous vide secondaire, puis chauffé 5 jusqu'à 1200°C, pendant 2 heures, puis chauffé jusqu'à 1350°C, pendant 10 heures. Le matériau d'apport 30 n'est pas fondu à une telle température.

Après refroidissement, les deux plaques en carbure de silicium sont parfaitement assemblées. Aucune décohésion n'est observée (figure 8).

L'assemblage obtenu a été installé sur un banc d'essai pour monter en 10 pression à l'eau. La maquette a résisté jusqu'à 20 bars.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé d'assemblage comprenant les étapes successives suivantes :

a) Fourniture d'au moins deux pièces (10, 20) en matériaux à base de céramique obtenue par frittage de poudres inorganiques non métalliques ou en composite à matrice céramique,

b) Dépôt d'un matériau d'apport (30), par voie sèche, sur au moins l'une des deux pièces (10, 20),

c) Mise en contact du matériau d'apport (30) avec les deux pièces (10, 20),

d) Chauffage de l'ensemble obtenu à l'étape c) jusqu'à une température d'assemblage, la température d'assemblage avantageusement étant maintenue pendant une durée de maintien,

e) Refroidissement de l'ensemble de manière à former un joint entre les deux pièces (10, 20), et à assembler les deux pièces (10, 20), caractérisé en ce que la température d'assemblage est inférieure à la température à laquelle le matériau d'apport (30) est complètement fondu.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) est un alliage, et la température d'assemblage est inférieure à la température du solidus du matériau d'apport (30).
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) est un alliage et la température d'assemblage est comprise entre les températures de solidus et de liquidus.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les matériaux à base de céramique sont choisis parmi les céramiques non oxydes tels que le carbure de silicium, le nitrure de silicium, et le nitrure d'aluminium, les céramiques oxydes telles que l'alumine, le saphir la mullite et la zircone, les composites à matrices céramiques non oxydes et les composites à matrices céramiques oxydes.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) est déposée par projection thermique et en ce que l'épaisseur du matériau d'apport (30) déposé va de 100 μιτι à 500 μιτι, de préférence de ΙΟΟμιτι à 300μιτι.
6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, le procédé comporte une étape, entre l'étape b) et l'étape c), dans laquelle le matériau d'apport déposé (30) est rectifié ou poli.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) est déposé par dépôt physique en phase vapeur et en ce que l'épaisseur de matériau d'apport (30) déposé va de Ιμιτι à 20μιτι.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) est déposé par dépôt chimique en phase vapeur thermique ou assisté par plasma
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape c), une pression est appliquée lors de la mise en contact du matériau d'apport (30) avec les deux pièces (10, 20).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d) est réalisée sous vide, sous gaz neutre ou sous air.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) comprend au moins 40% atomique de silicium.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que matériau d'apport (30) comprend au moins 99% atomique de silicium.
13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que matériau d'apport (30) comprend de 40% à 97% atomique de silicium et un élément additionnel.
14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément additionnel est choisi parmi les éléments suivants Ag, B, Ge, Cr, Co, Ce, Cu, Hf, Ti, V, Zr, Nd, Pr, Ru, Rh, Re, Y, Ir, Ni, Pt, Pd, Mo, et W.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) est un alliage de silicium et de cobalt qui comprend de 58% à 97% atomique en silicium et de 42 % à 3% atomique en cobalt.
16. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1350°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.
17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) comprend un alliage de silicium et de zirconium qui comprend 60% à 97% atomique de silicium et 40 % à 3% atomique de zirconium.
18. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de l'étape d), la température d'assemblage est une température comprise entre 1100 °C et 1600°C, de préférence 1200 à 1550°C, en particulier la température d'assemblage est choisie soit de sorte que l'alliage reste à l'état solide, soit de sorte que l'alliage soit dans un état semi-solide.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, 5 caractérisé en ce que matériau d'apport (30) est un alliage à base d'argent, tel que AgZr, ou à base d'argent-cuivre, tel que AgCuTi.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau d'apport (30) est un oxyde, un mélange d'oxydes ou un

10 verre.