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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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Obtention de CMMp à partir d’une matrice semi-liquide
En anglais
4. Obtention de revêtement de CMMp par projection
Cette technique consiste à projeter des gouttelettes de composite liquide ou semi-liquide sur un substrat que l’on cherche à revêtir de CMMp où elles se solidifient. Les gouttelettes sont formées par atomisation à l’aide d’un gaz, d’un liquide ou d’un plasma.
Parmi les principaux avantages de l’atomisation, citons la faible température au moment de l’impact, la grande vitesse de solidification qui limitent les phénomènes de croissance du grain de métal, l’absence d’oxydation de la surface et surtout la possibilité d’obtenir des pièces possédant leurs formes finales, près des cotes. De plus, il est possible de produire des composites de fractions volumiques variées, même avec des matrices très réactives.
4.1 Projection-atomisation
C’est un procédé qui s’est développé récemment et qui semble posséder un avenir très prometteur, car il permet de produire des pièces de formes très variées.
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Le procédé développé par Osprey est probablement le plus célèbre dans cette catégorie (figure 20) [89]. Le métal est fondu et atomisé par un jet de gaz neutre ou très peu oxydant (argon ou azote) sous haute pression (700 à 1 050 MPa) [90]. Les particules sont introduites dans le jet des gouttelettes de métal, pendant le trajet jusqu’au substrat. Dépendant des conditions opératoires, les gouttelettes peuvent arriver liquides, solides ou semi-liquides [91] sur le substrat. Elles forment, en refroidissant, un dépôt dense. Pour éviter l’oxydation pendant le trajet, on peut utiliser un gaz de protection dont le choix est important puisque le dépôt est dense lorsque l’azote est utilisé et n’est dense qu’à 96-99 % si l’argon remplit la chambre. On peut ainsi déposer des épaisseurs assez grandes de composites et obtenir des formes assez complexes telles que feuilles, rubans, disques, etc....
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Obtention de revêtement de CMMp par projection
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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