FR3108919A1

FR3108919A1 - Pièce en un matériau multicouche à gradient de composition et son procédé de fabrication

Info

Publication number: FR3108919A1
Application number: FR2003247A
Authority: FR
Inventors: Denis Vincent; Grégory LARGILLER; Richard Laucournet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: FR3108919B1

Abstract

Pièce en un matériau multicouche à gradient de composition et son procédé de fabrication Pièce en un matériau multicouche à gradient de composition comportant : - une couche métallique comportant, pour plus de 99,0 % de sa masse, un alliage présentant la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100 % : 17,0 % < Ni < 43,0 %, Co < 20,0 %, Cu < 65,0 %, Mn < 1,0 %, Si < 0,5 %, C < 0,1 %, autres espèces < 2,0 %, Fe : complément à 100 %,- une couche céramique, superposée à la couche métallique, comportant pour plus de 99,0 % de sa masse, un matériau céramique, et- une structure intermédiaire, prise en sandwich entre la couche métallique et la couche céramique et au contact de la couche métallique et de la couche céramique, et comportant au moins une couche composite contenant, de préférence consistant en, l’alliage et le matériau céramique. Figure pour l’abrégé : Fig. 6a

Description

Pièce en un matériau multicouche à gradient de composition et son procédé de fabrication

La présente invention concerne le domaine de la métallurgie des poudres. Elle concerne plus particulièrement une pièce formée d’un matériau multicouche en une céramique et un alliage, présentant un gradient de composition. Elle concerne également un procédé de fabrication d’une telle pièce.

Les matériaux à gradient de composition, aussi dénommés matériaux à gradient de fonction ou matériaux « FGM », acronyme anglais de «Functionally Graded material »,sont caractérisés par une composition, et le cas échéant une structure, ainsi que des propriétés physiques qui varient graduellement selon une direction. Ils sont formés d’au moins deux constituants dont les teneurs évoluent en sens opposé selon une dimension.

Ils sont notamment particulièrement utiles pour relier entre elle une pièce métallique et une pièce céramique qui sont difficilement assemblables sans application d’un corps tiers entre elles.

La figure 1a illustre schématiquement une pièce 5 bicouche formée d’une couche métallique 10 et d’une couche céramique 15, et l’évolution des contraintes σ_met σ_cdans la couche métallique et dans la couche céramique respectivement, lors d’un échauffement de la pièce, selon la position dans l’épaisseur e_pde la pièce. Des contraintes d’intensité différentes se développent dans chaque couche, qui sont notamment liées aux différences de coefficient de dilatation thermique du matériau métallique et du matériau céramique. Elles peuvent être discontinues à l’interface entre les couches, ce qui peut provoquer un endommagement, notamment une fissuration, de la pièce. Comme on peut le voir sur la figure 1b, l’interposition d’une couche en un matériau à gradient de composition entre les couches métallique et céramique réduit l’intensité des contraintes et limite les discontinuités aux interfaces entre les couches.

Des pièces en matériau à gradient de composition continu sont connues. Comme illustré sur les figures 2a et 2b, elles sont caractérisées par une évolution continue et monotone, le long de l’épaisseur e_pde la pièce, des teneurs c en chaque constituant du matériau. Par exemple, selon l’épaisseur, la teneur c_cen constituant céramique décroit strictement et la teneur c_men l’autre constituant métallique croit strictement entre les faces opposées de la pièce. Une telle pièce n’est donc pas multicouche. Elle ne présente pas d’interface délimitant des couches de composition spécifique et homogène. Elle peut être obtenue en déposant un mélange de poudres des matériaux métallique et céramique au moyen de doseurs qui modifient avec précision la teneur relative en chaque constituant au fur et à mesure du dépôt. Elle est donc difficile à fabriquer en pratique.

Des pièces en matériau à gradient de composition discontinu sont aussi connues, par exemple de Tohgo etal., «Characterization of fracture process in ceramic-metal functionally graded material under three -point- bending» JSME Int. J. A-Solid M, vol 49, No. 3 (2006), Kawasaki etal., «Thermal fracture behavior of metal / ceramic functionally graded materials» Eng. Fract. Mech, vol 69, 1713, (2002), Chmielewski etal., «Metal-ceramic functionallly graded materials-manufacturing, characterization, application» Bull. Pol. Acad. Sci., Tech. Sci, vol 64, No. 1, 151 (2016) et KR 100967629 B1. Elles présentent un empilement de couches, par exemple L_1- ₆comme illustré par l’exemple de la figure 3a, chacune de composition homogène. Comme illustré sur la figure 3b, la teneur en alliage et en matériau céramique évolue de manière monotone en fonction du rang de la couche dans l’empilement. Par exemple, la teneur en constituant métallique décroit de couche en couche alors que la teneur en constituant céramique croit de couche en couche. Bien que plus simples à fabriquer que les pièces en matériau à gradient de composition continu, les pièces en matériau à gradient de composition discontinu, aussi dénommé matériau multicouche à gradient de composition, nécessitent un nombre élevé de couches, généralement au moins cinq, pour réduire les contraintes se développant sous l’effet des gradients de température, aussi bien au cours de la fabrication des pièces, généralement par frittage de poudres, que lors de l’usage de la pièce.

Il existe donc un besoin pour une nouvelle pièce en un matériau à gradient de composition, et qui de préférence, soit de fabrication simple.

L’invention vise à satisfaire au moins partiellement ce besoin et propose une pièce en un matériau multicouche à gradient de composition comportant :
- une couche métallique comportant, pour plus de 99,0 % de sa masse, un alliage présentant la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100 % :
17,0 % < Ni < 43,0 %,
Co < 20,0 %,
Cu < 65,0 %,
Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %,
C < 0,1 %
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 %,
- une couche céramique, superposée à la couche métallique, comportant pour plus de 99,0 % de sa masse, un matériau céramique, et
- une structure intermédiaire, prise en sandwich entre la couche métallique et la couche céramique et au contact de la couche métallique et de la couche céramique, et comportant au moins une couche composite contenant, de préférence consistant en, l’alliage et le matériau céramique.

La composition spécifique de l’alliage permet de fabriquer une pièce avec un nombre plus faible de couches composites que dans l’art antérieur, sans observer de fissures se développant aux interfaces entre les couches. En particulier, une pièce comportant une structure intermédiaire constituée seulement d’un monocouche ou d’un bicouche peut être fabriquée, ce qui à la connaissance des inventeurs, n’avait jamais été observé jusqu’à l’invention. Par ailleurs, lorsque la pièce est soumise à des gradients de température en usage, le développement de fissures sous l’effet des contraintes induites par les différences de coefficient de dilatation thermique entre l’alliage et la matériau céramique est réduit, ce qui réduit la probabilité de fissuration de la pièce.

Les « autres espèces » sont différentes de Ni, Co, Cu, Mn, Si, C et Fe.

La teneur en autres espèces peut être inférieure à 1,0 %, voire inférieure à 0,5 %, voire inférieure à 0,1 %.

Notamment, les autres espèces peuvent être choisies parmi Cr, V, Ti, Nb, Mo, Sc, Y, des métaux pauvres tels que Al, Zn, Sn, des impuretés telles que S, N, O, P, Mg, Ca et leurs mélanges.

La pièce multicouche est de préférence frittée.

De préférence, l’alliage présente la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% :

27,0 % < Ni < 43,0 %,
Co < 20,0 %,
Cu < 0,1 %,
Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %,
C < 0,1 %,
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 %.

De préférence, l’alliage présente la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% :
28,0 % < Ni < 30,0 %,
16,0 % < Co < 18,0 %,
Cu < 0,1 %,
0,1 < Mn < 0,5 %,
Si < 0,3 %,
C < 0,05 %,
autres espèces < 0,5 %,
Fe : complément à 100 %.

De préférence, l’alliage présente la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% :
28,5 % < Ni < 29,5 %,
16,5 % < Co < 18,5 %,
Cu < 0,1 %,
0,2 %< Mn < 0,4 %,
0,1 % < Si < 0,3 %,
C < 0,03 %,
autres espèces < 0,1 %,
Fe : complément à 100 %.

En particulier, l’alliage peut comporter, en pourcentages en masse, 29 % de nickel, 17 % de cobalt, 0,3 % de manganèse, 0,2 % de silicium, 0,02% au plus de carbone, le complément à 100 % étant du fer. Un tel alliage est communément commercialisé sous la dénomination Kovar®.

Selon une variante, l’alliage peut présenter la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% :

18,0 % < Ni < 22,0 %, de préférence 19,0 % < Ni < 21,0 %,
Co < 0,1 %, de préférence Co < 0,05 %,
58,0 % < Cu < 62,0 %, de préférence 59,0 % < Cu < 61,0 %,
Mn < 2,0 %, de préférence Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %, de préférence Cu < 0,1 %,
C < 0,1 %, de préférence C < 0,05 %,
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 %, de préférence 19,0 % < Fe < 21,0 %.

Selon une autre variante, l’alliage peut présenter la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% :

18,0 % < Ni < 22,0 %, de préférence 19,0 % < Ni < 21,0 %,
1,0 % < Co < 3,0 %, de préférence 2,0 % < Co < 3,0 %,
58,0 % < Cu < 62,0 %, de préférence 59,0 % < Cu < 61,0 %,
Mn < 2,0 %, de préférence Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %, de préférence Cu < 0,1 %,
C < 0,1 %, de préférence C < 0,05 %,
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 %, de préférence 16,5 % < Fe < 18,5 %.

Par ailleurs, de préférence, l’alliage représente plus de 99,5 %, voire plus de 99,9 %, voire 100 % de la masse de la couche métallique.

Par ailleurs, de préférence, le matériau céramique est choisi parmi l’alumine, la zircone, le nitrure d’aluminium et leurs mélanges. De préférence le matériau céramique est l’alumine. L’alumine présente un coefficient de dilatation proche de l’alliage, sur une gamme de température comprise entre 20 °C et 1400 °C.

La structure intermédiaire peut consister en une unique couche composite, de préférence homogène, comportant de préférence, entre 40 % et 60 % du matériau céramique et entre 40 % et 60 % de l’alliage, les pourcentages étant exprimés en volume sur la base du volume de matière constituant le monocouche composite.

De préférence, la structure intermédiaire est constituée par un empilement d’au moins deux couches composites, la teneur en alliage dans l’empilement décroissant de façon monotone en s’éloignant, selon une direction parallèle à l’épaisseur de l’empilement, de la couche composite au contact de la couche métallique jusqu’à la couche composite au contact de la couche céramique. Par « décroissance monotone » d’une fonction, par exemple d’une teneur, sur un intervalle, on considère que la fonction est décroissante ou constante en tout point de l’intervalle. Elle ne croit en aucun point de l’intervalle.

De préférence, la teneur en alliage dans au moins une, de préférence dans chaque couche composite, est constante dans l’épaisseur de la couche composite, les teneurs en alliage dans deux couches composites consécutives de l’empilement étant différentes.

De préférence, la structure intermédiaire est constituée de deux couches composites superposées l’une sur l’autre et au contact l’une de l’autre, la teneur volumique en alliage de la couche composite au contact de la couche métallique étant supérieure à la teneur volumique en alliage de la couche composite au contact de la couche céramique.

De préférence, la couche composite au contact de la couche métallique comporte entre 60 % et 80 %, de préférence entre 65 % et 75 %, notamment 70 % de l’alliage, et la couche composite au contact de la couche céramique comporte entre 20 % et 40 %, de préférence entre 25 % et 35 %, notamment 30 % de l’alliage, les pourcentages étant exprimés en volume sur la base du volume de matière constituant la couche composite.

De préférence, la composition de chaque couche composite de l’empilement multicouche est homogène.

De préférence, chaque couche composite présente une porosité inférieure à 5 %, de préférence inférieure à 1 %, voire inférieure à 0,5 %.

L’alliage et le matériau céramique représentent de préférence plus de 95,0 %, de préférence plus de 99,0 %, de préférence 100 % de la masse de la matière constituant chaque couche composite. Les autres constituants de la couche composite sont de préférence des impuretés. Par « impuretés », on entend les constituants inévitables, introduits involontairement et nécessairement avec les matières premières ou résultant de réactions avec ces constituants. Les impuretés ne sont pas des constituants nécessaires, mais seulement tolérés.

L’épaisseur de chaque couche composite peut être comprise entre 0,1 mm et 3 mm, de préférence comprise entre 0,1 mm et 1 mm.

De préférence, la couche métallique comporte pour plus de 99,5%, de préférence pour plus de 99,9 % de sa masse l’alliage. Les autres constituants de la couche métallique sont de préférence des impuretés. De préférence, la couche métallique est formée de l’alliage.

De préférence, la couche céramique comporte pour plus de 99,5%, de préférence pour plus de 99,9 % de sa masse le matériau céramique. Les autres constituants de la couche céramique sont de préférence des impuretés. De préférence, la couche céramique est formée du matériau céramique.

L’épaisseur de la pièce, mesurée selon une direction normale aux couches céramique et métallique, peut être comprise entre 2 mm et 6 mm.

La pièce peut présenter une forme variée. Par exemple, elle présente une forme d’un prisme droit, par exemple un pavé droit ou un cylindre de révolution, la couche métallique, la structure intermédiaire et la couche céramique étant normales à la génératrice du prisme. Elle peut présenter une forme d’un anneau d’axe longitudinal, les faces longitudinales opposées de l’anneau étant définies par les couches métallique et céramique. En variante, la couche métallique et la couche céramique définissant les face intérieure et extérieure respectivement de la paroi latérale de l’anneau.

La pièce peut présenter une longueur, mesurée dans un plan normal à l’épaisseur des couches, supérieure à 10 mm. La longueur de la pièce peut être inférieure à 50 mm, voire inférieure à 20 mm.

La masse de la pièce peut être supérieure à 10 g, voire supérieure à 100 g. Elle peut être inférieure à 200 g, voire inférieure à 150 g.

L’invention concerne encore un dispositif comportant un corps et la pièce selon l’invention, la pièce étant montée, notamment vissée ou soudée, sur le corps.

Le corps est de préférence métallique. Un tel corps sur le lequel peut notamment former une cavité étanche de protection d’un ensemble formé par un tube métallique et un tube céramique.

Le corps présente de préférence une forme d’un tube.

Par ailleurs, l’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’une pièce en un matériau multicouche à gradient de composition selon l’invention, le procédé comportant :
a/ la formation d’une préforme multicouche comportant au moins trois couches superposées les unes sur les autres, au moyen de poudres de départ comportant chacune des particules métalliques et/ou des particules céramiques,
chaque couche de rang j étant formée au moyen d’une des poudres de départ comportant une teneur volumique en particules céramiques supérieure à la teneur volumique en particules céramiques de la poudre de départ ayant servi à former la couche de rang j-1,
ou
chaque couche de rang j étant formée au moyen d’une poudre de départ comportant une teneur volumique en particules céramiques inférieure à la teneur volumique en particules céramiques de la poudre de départ ayant servi à former la couche de rang j-1,
la couche de rang j-1 étant formée avant la couche de rang j,
la teneur volumique en particules céramiques d’une poudre étant le rapport du volume des particules céramiques sur la somme du volume des particules céramiques et du volume des particules métalliques de la poudre,
les particules métalliques étant en un alliage présentant la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100 % :
17,0 % < Ni < 43,0 %,
Co < 20,0 %,
Cu < 65,0 %,
Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %,
C < 0,1 %
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 % ;
b/ optionnellement, compression de la préforme multicouche ;
c/ optionnellement, déliantage de la préforme, et
d/ le frittage de la préforme multicouche pour obtenir la pièce.

Le « volume d’une poudre » peut être aisément déterminé en mesurant la masse de la poudre, puis en divisant la masse de la poudre par la densité du matériau formant les particules de la poudre.

Les autres espèces peuvent être telles que décrites ci-dessus.

La fraction de particules métalliques d’une poudre de départ est le complémentaire de la fraction de particules céramiques de la poudre.

De préférence, l’alliage présente la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% :
28,0 % < Ni < 30,0 %, de préférence 28,5 % < Ni < 29,5 %,
16,0 % < Co < 18,0 %, de préférence 16,5 % < Co < 18,5 %,
Cu < 0,1%,
0,1 < Mn < 0,5 %, de préférence 0,2 %< Mn < 0,4 %,
Si < 0,3 %, de préférence 0,1 % < Si < 0,3 %,
C < 0,05 %, de préférence C < 0,03 %,
autres espèces < 0,5 %, de préférence autres espèces < 0,1 %,
Fe : complément à 100 %.

18,0 % < Ni < 22,0 %, de préférence 19,0 % < Ni < 21,0 %,
Co < 0,1 %, de préférence Co < 0,05 %,
58,0 % < Cu < 62,0 %, de préférence 59,0 % < Cu < 61,0 %,
Mn < 2,0 %, de préférence Mn < 1,0 %
Si < 0,5 %, de préférence Cu < 0,1 %,
C < 0,1 %, de préférence C < 0,05 %
autres espèces < 2,0 %
Fe : complément à 100 %, de préférence 19,0 % < Fe < 21,0 %.

18,0 % < Ni < 22,0 %, de préférence 19,0 % < Ni < 21,0 %,
1,0 % < Co < 3,0 %, de préférence 2,0 % < Co < 3,0 %,
55,0 % < Cu < 65,0 %, de préférence 59,0 % < Cu < 61,0 %,
Mn < 2,0 %, de préférence Mn < 1,0 %
Si < 0,5 %, de préférence Cu < 0,1 %,
C < 0,1 %, de préférence C < 0,05 %,
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 %, de préférence 16,5 % < Fe < 18,5 %.

Par ailleurs, de préférence, la teneur totale en particules céramiques et en particules métalliques de chaque poudre de départ est supérieure à 90 %, en pourcentages massiques sur la base de la masse de la poudre de départ correspondante.

De préférence, la préforme multicouche comporte des première et deuxième couches externes définissant des faces externes opposées l’une de l’autre, la poudre de départ mise en œuvre pour former la première couche externe comportant une fraction de particules céramiques supérieure à 90 % et la poudre de départ mise en œuvre pour former la deuxième couche externe comportant une fraction de particules céramiques inférieure à 10 %.

Les première et deuxième couches externes peuvent être des couches inférieure et supérieure de la préforme, ouvice versa. La couche inférieure de la préforme est la couche de base sur laquelle les autres couches de la préforme sont déposées, et la couche supérieure est la dernière couche déposée pour former la préforme.

De préférence, le procédé comporte la formation d’une préforme multicouche comportant au moins quatre couches, de préférence constituée de quatre couches.

De préférence, une des couches de la préforme est formée entre les première et deuxième couches externes et au contact de la première couche externe, au moyen d’une poudre de départ comportant une fraction de particules céramiques comprise entre 60 % et 80 %, et la deuxième couche externe est formée au contact d’une autre couche de la préforme qui est formée au moyen d’une poudre de départ comportant une fraction de particules céramiques comprise entre 20 % et 40 %.

Pour assurer la cohésion de la préforme, au moins une, de préférence chacune, des poudres de départ comporte de préférence un liant organique, de préférence acrylate. De préférence, le liant représente le complément à 100 % de la masse de chacune des poudres de départ.

De préférence, les particules céramiques sont constituées, pour plus de 99,0 % de leur masse, par un matériau céramique choisi parmi l’alumine, la zircone, le nitrure d’aluminium et leurs mélanges, de préférence étant l’alumine. Les autres constituants des particules céramiques sont de préférence des impuretés. Les particules céramiques peuvent être liées entre elles sous forme d’agrégats présentant une taille comprise entre 20 µm et 500 µm, de préférence comprise entre 20 µm et 150 µm, notamment comprise entre 20 µm et 108 µm.

De préférence, pour faciliter la densification de la préforme multicouche au cours du frittage, les particules céramiques forment un ensemble présentant un percentile D₉₀inférieur à 3 µm, de préférence inférieur à 2 µm, par exemple inférieur à 1,2 µm, mieux inférieur à 1,0 µm.

Le « percentile D₉₀» d’un ensemble particulaire est la taille de particule correspondant au pourcentage, en masse, de 90 %, sur la courbe de distribution granulométrique cumulée des tailles de particules de l’ensemble particulaire, les tailles de particules étant classées par ordre croissant. Ainsi 90 %, en masse, des particules d’un ensemble particulaire ont une taille inférieure à D₉₀et 10% des particules en masse ont une taille supérieure à D₉₀. Les tailles et les percentiles peuvent être déterminés à l’aide d’une distribution granulométrique réalisée à l’aide d’un granulomètre laser. La taille d’une particule est le plus petit diamètre de la sphère circonscrite à la particule.

Les particules métalliques sont constituées, pour plus de 99,0 % de leur masse, par l’alliage. Les autres constituants des particules métalliques sont de préférence des impuretés.

Par ailleurs, les particules métalliques peuvent présenter une taille comprise entre 5 µm et 50 µm, de préférence comprise entre 5 µm et 40 µm, notamment comprise entre 5 µm et 31 µm.

L’épaisseur de chaque couche peut être comprise entre 0,1 mm et 2 mm, de préférence comprise entre 0,1 mm et 1 mm. En variante, l’épaisseur de chaque couche de l’empilement multicouche peut être supérieure à 1 mm. Préférentiellement, les couches de l’empilement sont d’épaisseurs égales.

Le procédé peut comporter préalablement à l’étape a/, la préparation d’au moins une des poudres de départ en mélangeant au moins un ensemble particulaire céramique comportant pour plus de 90,0 %, de préférence pour plus de 95,0%, voire pour plus de 99,0 %, voire même pour 100 % de sa masse des particules céramiques avec un ensemble particulaire métallique comportant pour plus de 90,0 %, de préférence pour plus de 95,0%, voire pour plus de 99,0 %, voire même pour 100 % de sa masse des particules métalliques.

L’ensemble particulaire céramique et/ou l’ensemble particulaire métallique peuvent comporter le liant organique. Le liant organique peut notamment représenter entre 1 % et 5 %, par exemple 3,0 % de la masse de l’ensemble particulaire céramique.

Les particules métalliques et/ou les particules céramiques peuvent présenter un indice de sphéricité supérieur à 0,7, de préférence supérieure à 0,9. L’indice de sphéricité d’une particule correspond au rapport de la longueur du plus petit axe de la plus petite ellipsoïde circonscrite à la particule sur la longueur du plus grand axe de l’ellipsoïde. De préférence, les particules métalliques et/ou les particules céramiques sont sphériques.

De préférence, les particules métalliques et/ou les particules céramiques sont obtenues par atomisation d’un jet de matière métallique et/ou d’un jet de matière céramique respectivement en fusion.

La préparation peut être réalisée dans un mélangeur dynamique tridimensionnel, pendant une durée d’au moins 1 heure, par exemple égale à 2 heures.

La formation de la préforme peut comporter le versement des poudres de départ dans un moule pour former les couches correspondantes. Après le versement d’une poudre, la poudre peut être tassée, de préférence sous une pression inférieure à 2 MPa, préalablement au dépôt d’une autre couche sur ladite couche, afin de former une interface sensiblement rectiligne entre les couches consécutives de la préforme.

En variante, au moins une, de préférence toutes les couches de la préforme peuvent être formées par injection d’une poudre de départ correspondante. L’injection présente l’avantage de permettre la fabrication de pièces de forme complexe.

De préférence, afin de densifier la pièce, la préforme est comprimée à l’étape b/ sous une pression supérieure à 50 MPa, notamment comprise entre 50 MPa et 200 MPa, par exemple égale à 100 MPa. La compression est de préférence uniaxiale et appliquée selon la direction d’empilement des couches.

La préforme peut être déliantée à l’étape c/. Le déliantage est opéré de manière à dégrader le liant organique, préalablement au frittage. De préférence, le déliantage est opéré en chauffant la préforme multicouche jusqu’à atteinte d’une température de déliantage comprise entre 400 °C et 600 °C, par exemple égale à 500 °C. La préforme peut être maintenue à la température de déliantage pendant une durée comprise entre 1 h et 4 h, par exemple de 2 h.

La vitesse de montée en température à la température de déliantage est de préférence comprise entre 0,1 °C/min et 3 °C/min.

De préférence, afin d’éviter une oxydation excessive particules métalliques, l’étape d/ de frittage est mise en œuvre sous une atmosphère réductrice, de préférence sous atmosphère partielle de dihydrogène. En variante, elle peut être mise en œuvre sous une atmosphère neutre, par exemple d’argon.

Le frittage est opéré à une température de frittage inférieure à la température de fusion de l’alliage et à la température de fusion du matériau céramique.

De préférence, la température de frittage est inférieure à 1450 °C. On évite ainsi la fusion des particules métalliques au cours du frittage. De préférence, la température de frittage est comprise entre 1300 °C et 1400 °C, par exemple égale à 1400 °C.

La vitesse de montée en température de la température de déliantage jusqu’à la température de frittage peut être comprise entre 5 °C/min et 10 °C/min.

Afin d’obtenir une pièce dense, par exemple présentant une porosité inférieure à 5 %, la durée de maintien à la température de frittage peut être comprise entre 2,0 et 4,0 heures.

La pièce est ensuite refroidie à une vitesse de refroidissement comprise entre 1 °C/min et 10 °C/min.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description des exemples qui vont suivre, présentés à titre illustratif et non limitatif, et au moyen des figures suivantes parmi lesquelles :

la figure 1a illustre schématiquement la distribution des contraintes d’origine thermique à l’interface entre une couche métallique et une couche céramique ;

la figure 1b illustre schématiquement la distribution les contraintes d’origine thermique aux interfaces entre les couches d’une pièce en un matériau multicouche à gradient de composition ;

la figure 2a est une représentation schématique d’une pièce en un matériau multicouche à gradient de composition continu formé de deux constituants ;

la figure 2b est un graphique représentant schématiquement l’évolution de la composition des deux composants selon l’épaisseur de la pièce illustrée sur la figure 2a ;

la figure 3a est une représentation schématique d’un matériau à gradient de composition discontinu formé de deux constituants ;

la figure 3b est un graphique représentant schématiquement l’évolution de la composition des deux composants selon l’épaisseur de la pièce illustrée sur la figure 3a ;

la figure 4a est une photographie d’une préforme obtenue selon un exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention ;

la figure 4b est une photographie de la pièce obtenue par frittage de la préforme photographiée sur la figure 4a ;

la figure 5a est une photographie d’une préforme obtenue selon un autre exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention ;

la figure 5b est une photographie de la pièce obtenue par frittage de la préforme photographiée sur la figure 5a ;

la figure 5c est une photographie prise en microscopie optique d’une coupe transverse de la pièce photographiée sur la figure 5b ;

la figure 6a est une photographie d’une préforme obtenue selon encore un autre exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention ; et

la figure 6b est une photographie prise en microscopie optique d’une coupe transverse de la pièce obtenue par frittage de la préforme photographiée sur la figure 6a.

Exemples

Dans les exemples qui vont suivre, une poudre de particules d’alumine et une poudre de particules de Kovar® sont utilisées.

La poudre de particules d’alumine est commercialisée par la société SASOL sous la référence AHPA-RTP-SB.

La poudre alumine se présente sous forme d’agrégats sphériques de particules d’alumine liées entre elles par un liant acrylate. Les agrégats présentent une taille comprise entre 20 µm et 108 µm. Ils sont obtenus par atomisation des particules d’alumine avec le liant. Les particules d’alumine présentent une teneur en alumine supérieure à 99,8 %. L’ensemble des particules d’alumine présente un percentile D₉₀inférieur à 1,2 µm.

La poudre de particules de Kovar® est commercialisée par la société Sandvik Osprey. Les particules de Kovar® sont sphériques et présentent une taille comprise entre 5 µm et 31 µm.

Exemple 1

Quatre poudres de départ sont préparées à partir de la poudre de particules d’alumine et de la poudre de particules de Kovar® pour former une préforme multicouche selon les proportions indiquées dans le tableau 1, exprimées en pourcentages volumiques sur la base du volume de chaque poudre.

Les poudres de départ 2 et 3 ont été préparées en mélangeant les poudres de particules d’alumine de Kovar® pendant 2 heures dans un mélangeur dynamique tridimensionnel.

La préforme multicouche est préparée en déposant consécutivement, dans une matrice, les poudres de départ 1 à 4 les unes sur les autres. La matrice est conformée pour qu’après compression et frittage, la pièce obtenue présente la forme d’un anneau cylindrique de révolution.

Ainsi, la poudre de départ 1 est versée sur le fond de la matrice pour former une première couche externe. Puis, la poudre de départ 2 est versée sur la première couche externe de manière à recouvrir complètement cette dernière pour former une première couche composite. La poudre de départ 3 est versée sur la première couche composite de manière à recouvrir complètement cette dernière pour former une deuxième couche composite. Enfin, la poudre de départ 4 est versée sur la deuxième couche composite de manière à recouvrir complètement cette dernière pour former une deuxième couche externe.

Après le versement de chaque poudre de départ, la couche formée est tassée afin d’aplanir sa surface. Le versement de la poudre de départ j formant la couche de rang j est en outre effectué de manière à recouvrir intégralement la couche de rang j-1 sur laquelle elle est déposée. Chaque couche présente une épaisseur d’environ 1 mm.

La préforme multicouche ainsi formée est ensuite comprimée uniaxialement selon la direction d’empilement, c’est-à-dire selon une direction normale aux grandes faces des couches, à une pression de 100 MPa pendant une durée de 30 secondes.

La préforme multicouche est ensuite extraire de la matrice. Elle présente à ce stade une forme d’un anneau cylindrique de révolution.

Elle est ensuite placée sur une sole en céramique, comme cela est illustré sur la figure 4a, et est placée dans un four à moufle de marque ELNIK pour être déliantée et frittée sous une atmosphère d’hydrogène.

Le déliantage est mis en œuvre en chauffant la préforme à une température de déliantage de 500 °C à une vitesse de montée en température comprise entre 0,1 °C/min et 3 °C/min. La préforme ainsi déliantée est ensuite chauffée à une température de frittage de 1400 °C à une vitesse de montée en température comprise entre 5 °C/min et 10 °C/min. La préforme est maintenue à la température de frittage pendant un temps compris entre 2 et 4 heures, puis est refroidie à 25 °C à une vitesse de refroidissement de 5 °C/min.

La pièce multicouche frittée ainsi obtenue est formée d’un matériau multicouche à gradient de composition. Elle présente une forme et des dimensions semblables à celle de la préforme dont elle est issue, comme cela est observé sur la figure 4b. Elle présente une face longitudinale définie par une couche d’alumine et une face longitudinale opposée définie par une couche formée de Kovar®. La couche de Kovar® et la couche d’alumine enserrent une structure intermédiaire, prise en sandwich entre les deux couches aux extrémités de la pièce formée d’une couche composite formée d’alumine et majoritairement de kovar, au contact de la couche de Kovar® et une couche formée de Kovar® et majoritairement d’alumine au contact de la couche en alumine.

Cinq pièces ont été fabriquées selon le procédé décrit pour l’exemple 1. Aucune fissure n’a été observée sur les pièces multicouches ainsi obtenues, aussi bien sur les faces des pièces, qu’au niveau des interfaces entre les couches.

Exemple 2

Cinq poudres de départ sont préparées à partir de la poudre de particules d’alumine et de la poudre d’alumine pour former une préforme multicouche selon les proportions indiquées dans le tableau 2, exprimées en pourcentages volumiques sur la base du volume de chaque poudre.

La préforme est réalisée comme selon le procédé de l’exemple 1 en formant cinq couches au moyen des cinq poudres de départ correspondantes du tableau 2, dans une matrice conformée pour que la préforme présente une forme d’une pastille cylindrique de révolution.

La figure 5a illustre la préforme ainsi obtenue dans laquelle les couches externes en Kovar® et en alumine sont visibles ainsi que les couches composites intermédiaires.

La compression, le déliantage et le frittage de la préforme sont ensuite mises en œuvre conformément au procédé de l’exemple 1.

On obtient une pièce frittée de forme cylindrique que l’on peut voir sur la figure 5b exempte de fissures. Une observation au microscope, comme illustré par la figure 5c, de la pièce frittée n’a pas permis de mettre en évidence une fissuration au sein de la pièce.

Exemple 3

Trois poudres de départ sont préparées à partir de la poudre de particules d’alumine et de la poudre d’alumine pour former une préforme multicouche selon les proportions indiquées dans le tableau 3 exprimées en pourcentages volumiques sur la base du volume de chaque poudre.

La préforme est réalisée comme selon le procédé de l’exemple 1 en formant trois couches au moyen des trois poudres de départ correspondantes du tableau 3, dans une matrice conformée pour que la préforme présente une forme d’une pastille cylindrique de révolution. La préforme est illustrée sur la figure 6a.

La compression, le déliantage et le frittage de la préforme sont effectuées conformément à l’exemple 1.

Une observation au microscope de la pièce frittée, comme illustré sur la figure 6b, n’a pas permis de mettre en évidence une fissuration au sein de la pièce. La pièce présente une légère courbure, résultant d’une déformation de type bilame de la préforme au cours du frittage.

Exemple 4

L’exemple 4 diffère de l’exemple 1 en ce que la formation de la préforme est effectuée par injection successives des poudres de départ dans un moule d’injection. Chaque nouvelle couche est ainsi surmoulée sur la couche précédemment injectée.

Les autres étapes du procédé sont effectuées comme décrit dans l’exemple 1. Une pièce exempte de fissure est ainsi fabriquée.

Claims

Pièce en un matériau multicouche à gradient de composition comportant :
- une couche métallique comportant, pour plus de 99,0 % de sa masse, un alliage présentant la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100 % :
17,0 % < Ni < 43,0 %,
Co < 20,0 %,
Cu < 65,0 %,
Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %,
C < 0,1 %,
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 %,
- une couche céramique, superposée à la couche métallique, comportant pour plus de 99,0 % de sa masse, un matériau céramique, et
- une structure intermédiaire, prise en sandwich entre la couche métallique et la couche céramique et au contact de la couche métallique et de la couche céramique, et comportant au moins une couche composite contenant, de préférence consistant en, l’alliage et le matériau céramique.
Pièce selon la revendication 1, l’alliage présentant la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% :
27,0 % < Ni < 43,0 %,
Co < 20,0 %,
Cu < 0,1 %,
Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %,
C < 0,1 %
autres espèces < 2,0 %
Fe : complément à 100 %.
Pièce selon la revendication 2, l’alliage présentant la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100 % :
28,0 % < Ni < 30,0 %,
16,0 % < Co < 18,0 %,
Cu < 0,1 %,
0,1 < Mn < 0,5 %,
Si < 0,3 %,
C < 0,05 %,
autres espèces < 0,5 %,
Fe : complément à 100 %.
Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, le matériau céramique étant choisi parmi l’alumine, la zircone, le nitrure d’aluminium et leurs mélanges, de préférence étant l’alumine.
Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, la structure intermédiaire étant constituée par un empilement d’au moins deux couches composites, la teneur en alliage dans l’empilement décroissant de façon monotone en s’éloignant, selon une direction parallèle à l’épaisseur de l’empilement, de la couche composite au contact de la couche métallique jusqu’à la couche composite au contact de la couche céramique.
Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, la structure intermédiaire étant constituée de deux couches composites superposées l’une sur l’autre et au contact l’une de l’autre, la teneur volumique en alliage de la couche composite au contact de la couche métallique étant supérieure à la teneur volumique en alliage de la couche composite au contact de la couche céramique.
Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, la couche composite au contact de la couche métallique comportant entre 60 % et 80 %, de préférence entre 65 % et 75 %, notamment 70 % de l’alliage, et la couche composite au contact de la couche céramique comportant entre 20 % et 40 %, de préférence entre 25 % et 35 %, notamment 30 % de l’alliage, les pourcentages étant exprimés en volume sur la base du volume de matière constituant la couche composite.
Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, la composition de chaque couche composite de l’empilement multicouche étant homogène.
Dispositif comportant un corps et la pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pièce étant montée, notamment vissée ou soudée, sur le corps.
Procédé de fabrication d’une pièce en un matériau multicouche à gradient de composition selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, le procédé comportant :
a/ la formation d’une préforme multicouche comportant au moins trois couches superposées les unes sur les autres, au moyen de poudres de départ comportant chacune des particules métalliques et/ou des particules céramiques,
chaque couche de rang j étant formée au moyen d’une des poudres de départ comportant une teneur volumique en particules céramiques supérieure à la teneur volumique en particules céramiques de la poudre de départ ayant servi à former la couche de rang j-1,
ou
chaque couche de rang j étant formée au moyen d’une poudre de départ comportant une teneur volumique en particules céramiques inférieure à la teneur volumique en particules céramiques de la poudre de départ ayant servi à former la couche de rang j-1,
la couche de rang j-1 étant formée avant la couche de rang j,
la teneur volumique en particules céramiques d’une poudre étant le rapport du volume des particules céramiques sur la somme du volume des particules céramiques et du volume des particules métalliques de la poudre,
les particules métalliques étant en un alliage présentant la composition suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100 % :
17,0 % < Ni < 43,0 %,
Co < 20,0 %,
Cu < 65,0 %,
Mn < 1,0 %,
Si < 0,5 %,
C < 0,1 %,
autres espèces < 2,0 %,
Fe : complément à 100 % ;
b/ optionnellement, compression de la préforme multicouche ;
c/ optionnellement, déliantage de la préforme, et
d/ le frittage de la préforme multicouche pour obtenir la pièce.
Procédé selon la revendication précédente, la préforme multicouche comportant des première et deuxième couches externes définissant des faces externes opposées l’une de l’autre, la poudre de départ mise en œuvre pour former la première couche externe comportant une fraction de particules céramiques supérieure à 90 % et la poudre de départ mise en œuvre pour former la deuxième couche externe comportant une fraction de particules céramiques inférieure à 10 %.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 et 11, comportant la formation d’une préforme multicouche comportant au moins quatre couches, de préférence constituée de quatre couches.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, les particules céramiques formant un ensemble présentant un percentile D₉₀inférieur à 3 µm, de préférence inférieur à 2 µm, par exemple inférieur à 1,2 µm, mieux inférieur à 1,0 µm.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 13, l’épaisseur de chaque couche peut être comprise entre 0,1 mm et 2 mm, de préférence comprise entre 0,1 mm et 1 mm.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 14, Le frittage étant opéré à une température de frittage comprise entre 1300 °C et 1400 °C, par exemple égale à 1400 °C et/ou la durée de maintien à la température de frittage étant comprise entre 2,0 et 4,0 heures.