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Auteur(s)
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Jacques MASOUNAVE : Professeur à l’École de technologie supérieure,Université du Québec, Montréal
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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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Fabrication à l’état solide
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5. Obtention de CMMp à partir d’une matrice semi-liquide
Cet ensemble de procédés est surtout utilisé à l’échelle du laboratoire. Bien qu’un bon contrôle de la température soit requis, il y a quelques industries qui produisent des CMMp à partir de l’état semi-liquide ou pâteux. Le principe de la mise en forme entre liquidus et solidus a été étudié pour la première fois au MIT (Massachusetts Institute of Technology ) par le professeur Flemings, au début des années 60.
Le principe du brassage à l’état pâteux est montré sur la figure 24. Le four maintient l’alliage en phase semi-liquide, ce qui suppose un bon contrôle de la température. Les particules sont incorporées, un agitateur mécanique brasse fortement le mélange. L’effet de cette agitation est multiple : il empêche la formation des dendrites, homogénéise la température et modifie la composition du solide. Lors du refroidissement final, le dernier liquide se solidifie sous forme de fines dendrites. La mise en forme se fait en général par injection ou par moulage-forgeage.
Cette technique est intéressante pour la production de composites, car le rejet des particules (sédimentation) est diminué par la présence des dendrites primaires qui augmentent la viscosité. Mais ce procédé est limité par la difficulté de produire des microstructures très variées. En effet, la nécessité d’employer un brassage mécanique énergique empêche de faire varier la microstructure à volonté. La taille des dendrites primaires reste importante. Des recherches sont en cours [102]. De plus, c’est un procédé qui demande un contrôle des conditions opératoires puisqu’un accroissement de la contrainte de cisaillement, notamment par agitation, entraîne une diminution de la viscosité. Cette dernière propriété peut aussi être considérée comme un avantage pour certains procédés d’obtention de pièces comme l’injection du composite ou de l’alliage non renforcé sous pression. Il y a quelques procédés qui se sont développés autour de l’idée originale du formage à l’état semi-liquide. Nous n’en citerons que quelques-uns.
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Obtention de CMMp à partir d’une matrice semi-liquide
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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