Matériaux composites à matrice métallique

Les matériaux composites à matrice métallique dont il est question ici ont été développés à partir des années 1960-1965 en deux vagues successives. Des efforts importants de recherche ont été menés aux États-Unis et en France dans les années 60 autour d’une fibre monofilamentaire de bore, sans véritable développement industriel ultérieur. Ce composite métal-métal était pénalisé par le coût très élevé de la fibre. À cette date, les applications envisagées étaient exclusivement orientées vers l’aéronautique et l’espace. Dans les années 80, la disponibilité de nombreuses nouvelles fibres céramiques devait relancer les recherches dans ce domaine avec des perspectives de développement industriel plus encourageantes. Des exemples d’applications industrielles ont été développés dans l’automobile, à l’initiative de l’industrie japonaise. Pour une présentation d’ensemble des composites à matrice métallique, on consultera :

• la référence  pour une description des procédés de fabrication et des lois de comportement mécanique ;

• les références  pour une synthèse des propriétés.

Il faut souligner qu’à ce jour ces matériaux sont encore en pleine évolution, et que les propriétés que l’on peut en attendre ne sont que partiellement connues. Ces propriétés sont très largement supérieures à celles des alliages métalliques, comme nous le montrerons pour les différents groupes de composites à matrice métallique. Elles s’accompagnent toujours, pour les composites métal-céramique, d’une réduction de ductilité par rapport aux alliages métalliques. Cette caractéristique doit être prise en compte dans les règles de dimensionnement des pièces, et bien souvent une nouvelle conception de la pièce sera nécessaire.

Nous montrerons également que, dans le cas des technologies de fabrication par moulage, le procédé de fabrication du matériau et le procédé de fabrication du composant sont confondus. Le concepteur du composant industriel pourra jouer sur la nature et la localisation des renforts pour ajuster au plus près les matériaux au cahier des charges fonctionnel de sa pièce. Ici la notion de matériau s’estompe au profit de la notion de composant fonctionnel.

L’utilisation d’une matrice métallique dans un composite présente plusieurs avantages par rapport aux matrices organiques :

• meilleure tenue en température permettant de reculer les limites d’utilisation en environnements moteurs ou structures hypersoniques ;

• meilleures propriétés mécaniques intrinsèques de la matrice, permettant le renfort localisé ou unidirectionnel ;

• meilleure tenue au vieillissement et au feu ;

• ductilité élevée de la matrice ;

• meilleure étanchéité aux gaz (herméticité).

En revanche, les technologies de fabrication des composites à matrice métallique sont en général plus complexes que pour les composites à matrice organique. Au cours de la fabrication, il faut assurer une bonne cohésion aux interfaces entre matrice et renfort, sans dégrader ce dernier. La liaison fibre-matrice doit être réalisée avec une matrice en phase liquide ou semi-liquide. Dans tous les cas, il faut que la température de fusion commençante ne soit pas trop élevée et que la matrice ne présente pas une réactivité trop importante avec le renfort. Si l’on ajoute à ces critères l’intérêt de matériaux légers et à propriétés spécifiques élevées, on comprendra que, parmi les différentes matrices métalliques disponibles, l’aluminium et ses alliages occupent une place privilégiée comme matrice de composites pour les transports et les pièces en mouvement.

Les composites à matrice aluminium (CMAI) ont donc été très largement étudiés et font l’objet d’un traitement détaillé dans cet article. Nous traitons de façon plus succincte des autres familles de composites à matrice métallique : composites à matrice magnésium (CMMg), composites à matrice titane (CMT i), et composites à matrice réfractaire.