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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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 à partir d’une matrice liquide
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2. Obtention de CMMp par métallurgie des poudres
2.1 Procédé général
C’est un type de procédé intéressant qui permet d’obtenir des matériaux (alliages et/ou composites) ayant des compositions hors équilibre et des fractions volumiques de particules très élevées [15]. Lorsque l’on utilise des techniques classiques de la métallurgie des poudres (MP), les coûts de fabrication sont acceptables. Quelques industries produisent des pièces de CMMp par MP telles que DWA, Advanced Composite Materials Corp. (ACMC), ou Aerospace Corp. qui obtient des pièces avec une matrice intermétallique NiAl3 et des particules de renfort d’alumine. Ces derniers matériaux sont surtout destinés aux ailettes de turbine ou comme constituants de chambre de combustion de réacteur d’avion. La société Westinghouse utilise le pressage isostatique à chaud de plusieurs pièces à la fois [16].
Les étapes habituelles de MP sont schématisées sur la figure 4.
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Mélange des poudres métalliques et des particules de renfort
Les poudres métalliques et de renfort sont introduites dans un cylindre rotatif (type broyeur à sec autogène) ou équipé d’un agitateur mécanique (type malaxeur) qui mélange pendant un certain temps, afin que la répartition soit homogène. Le temps de brassage, la forme du brasseur et l’atmosphère sont les éléments à étudier. Cette phase est cruciale puisqu’elle conditionne la qualité de la répartition des particules [15]. Généralement, les particules sont plus petites que les poudres métalliques, ce qui favorise l’élimination des porosités aux interfaces métal-particule. Si les poudres ou les particules sont de trop petites dimensions, elles ont tendance à s’agglomérer. Le liant doit éviter la formation de ces agglomérats. Mais ces produits contiennent souvent des agents toxiques pour les opérateurs et/ou pour l’environnement. On peut citer, par exemple, les liants à base d’alcool, de phosphates ou de savon, les liants organiques avec des solvants. L’utilisation de l’eau avec de faibles quantités d’additifs protège l’intégrité de l’environnement mais réduit beaucoup l’efficacité de la désagglomération. En pratique, il existe une limite technologique au rôle de désagglomération du liant, lorsque les particules sont de dimensions submicroniques.
Certaines...
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Obtention de CMMp par métallurgie des poudres
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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