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Auteur(s)
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Jacques MASOUNAVE : Professeur à l’École de technologie supérieure,Université du Québec, Montréal
-
Nathalie VILLAR : École de technologie supérieure,Université du Québec , Montréal
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Cet article concerne les composites à matrice métallique renforcés par des particules CMMp, excluant les composites à matrice métallique renforcés par des fibres (CMMf), des raisons d’ordre économique justifiant ce choix. En effet, il est possible de fabriquer des pièces en CMMp à matrice d’aluminium, avec leur forme finale ou proche de leur forme finale, à un prix de deux à cinq fois supérieur à celui d’une pièce d’aluminium non renforcée, mais en général nettement moins élevé que celui des CMMf. L’usine de production de CMMp la plus importante au monde, Duralcan, est située à Jonquière, au Québec. Nous avons parfois inclus les CMM renforcés par des trichites, car les procédés de fabrication de ces fibres ultra-courtes sont souvent semblables à ceux des CMMp.
Le principal but de cette synthèse est de faire le point sur les différentes techniques de fabrication des CMMp, en jetant un regard critique sur les principales difficultés de chacun des procédés. Elle s’inspire d’une étude commencée au CNRC (Conseil National de Recherche du Canada) [6].
La fabrication des CMMp par fonderie peut se décomposer en plusieurs étapes. D’abord, l’incorporation des particules dans l’alliage liquide. La principale difficulté de cette étape réside dans le mouillage et l’agglomération des particules. Ensuite, la coulée en lingots qui seront refondus pour la mise en forme ultérieure. Cette étape de coulée, typique de la fonderie, doit éviter la sédimentation des particules sous l’action de la gravité. Enfin, une éventuelle mise en forme aux cotes finales peut s’effectuer par usinage, forgeage, laminage, extrusion, etc. Nous excluons de cette synthèse l’étude de ces procédés de transformation secondaire. Ils ne seront abordés que lorsqu’ils interviennent en même temps que l’incorporation des particules dans la matrice métallique.
D’autres techniques de fabrication telles que la métallurgie des poudres, la projection, les procédés par voies semi-liquide et solide seront décrites dans cette synthèse.
Nous avons accordé une plus grande importance aux procédés de fonderie 3 à cause de leur intérêt industriel.
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Obtention de CMMp par métallurgie des poudres
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1. Composites à matrice métallique
1.1 Nomenclature
Pour rationaliser les nombreuses notations utilisées par les fabricants, la norme ANSI H35.5-1992 propose la notation suivante, utilisée initialement par Aluminium Association :
Alliage / Renfort / Fraction volumique Forme (particules p ou fibres f )-Traitement thermique.
Par exemple, un composite noté A 356/ SiC/ 20p-T6 possède une matrice en alliage d’aluminium A 356, renforcée par 20 % (en volume) de particules de carbure de silicium, et a subi un traitement T6.
1.2 Propriétés générales des CMMp
D’une façon générale, les CMMp sont surtout utilisés pour leur excellente résistance à l’usure, aussi bien en abrasion qu’en érosion ou en frottement, à cause de la présence de particules de renfort très dures.
Par rapport aux alliages d’aluminium, le module d’Young et la limite d’élasticité sont plus élevés, de l’ordre de 10 à 15 %.
Par rapport aux composites carbone-fibre de carbone [7], la limite d’élasticité ramenée à l’unité de masse volumique est plus élevée de 40 % alors qu’ils coûtent moins chers et sont recyclables, ce qui n’est pas le cas des composites polymériques (à matrice en polymère).
Comparés aux aciers, les CMMp offrent beaucoup d’intérêt. Leur densité est plus faible (principal critère de choix). Ramenés à l’unité de masse volumique, la limite d’élasticité et le module d’Young sont plus élevés et la résistance à l’usure est meilleure.
De plus, les CMMp présentent un intérêt certain à cause de leurs propriétés ajustables presque à volonté. Selon la morphologie des particules et leur répartition, il est possible de faire varier les propriétés dans des proportions intéressantes. C’est le cas, par exemple, de la majorité des propriétés physiques telles que le coefficient de dilatation thermique, la diffusivité...
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Composites à matrice métallique
Le coût des particules de renfort est, aujourd’hui, très variable, la tendance allant vers une baisse des prix. Par exemple, une livre (= 0,454 kg) de particules peut varier de 2 à 40 dollars Canadiens selon la nature et la taille des particules, tandis qu’une libre d’aluminium transformé (pièces finies) ne coûtait, il y a peu de temps, que 1 à 2 dollars selon les alliages et surtout selon les quantités. Il faut surveiller le prix de l’aluminium qui ne cesse de chuter depuis quelques années (moins de un dollar en 1995), principalement à cause de l’aluminium russe sur nos marchés. Dernièrement, une stabilisation semble être intervenue sous l’influence des pays occidentaux. Le coût des CMMp semble s’être stabilisé depuis quelques années. Le prix annoncé par Duralcan en 1990 qui reste celui de 1994 est aux alentours de 3 à 4 dollars par livre . Ce prix a peu changé en 1995 . Certaines matrices peuvent entraîner des coûts plus élevés, telles que celles obtenues par métallurgie des poudres de métaux refroidis rapidement.
Le rappel de ces prix montre que les CMMp ne sont pas destinés à remplacer les alliages d’aluminium à cause de l’augmentation de coût entraînée par la présence des particules. En revanche, les CMMp sont intéressants lorsque l’on recherche simultanément une bonne résistance à l’usure et une masse minimale. Ils peuvent...
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