Les composites à matrice métallique sont utilisés ou prototypés pour la navette spatiale, les avions de ligne commerciaux, les substrats électroniques, les vélos, les automobiles, les clubs de golf et une variété d’autres applications. Alors que la grande majorité sont des composites à matrice d’aluminium, un nombre croissant d’applications nécessitent les propriétés matricielles des superalliages, du titane, du cuivre, du magnésium ou du fer.
Comme tous les composites, les composites à matrice d’aluminium ne sont pas un matériau unique mais une famille de matériaux dont la rigidité, la résistance, la densité et les propriétés thermiques et électriques peuvent être adaptées. L’alliage matriciel, le matériau de renfort, le volume et la forme du renfort, l’emplacement du renfort et le procédé de fabrication peuvent tous être modifiés pour obtenir les propriétés requises. Quelles que soient les variations, cependant, les composites d’aluminium offrent l’avantage d’un faible coût par rapport à la plupart des autres MMC. En outre, ils offrent une excellente conductivité thermique, une résistance au cisaillement élevée, une excellente résistance à l’abrasion, un fonctionnement à haute température, une ininflammabilité, une attaque minimale par les carburants et les solvants et la possibilité d’être formés et traités sur des équipements conventionnels.
Les MMC en aluminium sont produits par coulée, métallurgie des poudres, développement in situ de renforts et techniques de pressage de feuilles et de fibres. Des produits de qualité constante sont maintenant disponibles en grande quantité, les principaux producteurs augmentant leur production et réduisant les prix. Ils sont appliqués dans les rotors de frein, les pistons et d’autres composants automobiles, ainsi que dans les clubs de golf, les vélos, les composants de machines, les substrats électroniques, les angles et les canaux extrudés et une grande variété d’autres applications structurelles et électroniques.
Des composites en superalliage renforcés de fibres en alliage de tungstène sont en cours de développement pour les composants des turbomoteurs à réaction fonctionnant à des températures supérieures à 1 830 ° F.
Les composites graphite / cuivre ont des propriétés adaptables, sont utiles à des températures élevées dans l’air et offrent d’excellentes caractéristiques mécaniques, ainsi qu’une conductivité électrique et thermique élevée. Ils offrent un traitement plus facile par rapport au titane et une densité plus faible par rapport à l’acier. Les supraconducteurs ductiles ont été fabriqués avec une matrice de cuivre et des filaments supraconducteurs de niobium-titane. Le cuivre renforcé de particules de tungstène ou d’oxyde d’aluminium est utilisé dans les dissipateurs de chaleur et les emballages électroniques.
Le titane renforcé de fibres de carbure de silicium est en cours de développement comme matériau de peau pour l’avion aérospatial national. Les aciers inoxydables, les aciers à outils et l’Inconel font partie des matériaux de matrice renforcés de particules de carbure de titane et fabriqués en anneaux de tirage et autres composants résistants à la corrosion à haute température.
Par rapport aux métaux monolithiques, les MMC ont:
- Rapports résistance / densité plus élevés
- Rapports rigidité / densité plus élevés
- Meilleure résistance à la fatigue
- Meilleures propriétés à température élevée
- strength Résistance supérieure
- rate Taux de fluage inférieur
- Coefficients de dilatation thermique inférieurs
- Meilleure résistance à l’usure
Les avantages des MMCs par rapport aux composites à matrice polymère sont les suivants:
- Capacité de température plus élevée
- Résistance au feu
- Rigidité et résistance transversales plus élevées
- Pas d’absorption d’humidité
- Conductivités électriques et thermiques plus élevées
- Meilleure résistance aux radiations
- Pas de dégazage
- Fabricabilité des MMC renforcés de moustaches et de particules avec un équipement de travail des métaux conventionnel.
Certains des inconvénients des CMM par rapport aux métaux monolithiques et aux composites à matrice polymère sont les suivants:
- Coût plus élevé de certains systèmes de matériaux
- Technologie relativement immature
- Méthodes de fabrication complexes pour les systèmes renforcés de fibres (sauf pour la coulée)
- Expérience de service limitée
De nombreuses combinaisons de matrices et de renforts ont été essayées depuis le début des travaux sur le MMC à la fin des années 1950.Cependant, La technologie MMC en est encore aux premiers stades de développement et d’autres systèmes importants verront sans aucun doute le jour.
Renforts : Les renforts MMC peuvent être divisés en cinq grandes catégories: fibres continues, fibres discontinues, moustaches, particules et fils. À l’exception des fils, qui sont des métaux, les renforts sont généralement des céramiques.
Les fibres continues clés comprennent le bore, le graphite (carbone), l’alumine et le carbure de silicium. Les fibres de bore sont fabriquées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de ce matériau sur un noyau de tungstène. Des noyaux de carbone ont également été utilisés. Ces monofilaments relativement épais sont disponibles en diamètres de 4,0, 5,6 et 8,0 mil. Pour retarder les réactions qui peuvent avoir lieu entre le bore et les métaux à haute température, des revêtements fibreux de matériaux tels que le carbure de silicium ou le carbure de bore sont parfois utilisés.
Les monofilaments de carbure de silicium sont également fabriqués par un procédé CVD, à l’aide d’un noyau de tungstène ou de carbone. Un fil multifilament japonais, désigné comme carbure de silicium par son fabricant, est également disponible dans le commerce. Ce matériau, cependant, réalisé par pyrolyse de fibres précurseurs organométalliques, est loin du carbure de silicium pur et ses propriétés diffèrent significativement de celles du carbure de silicium monofilament.
Les fibres continues d’alumine sont disponibles auprès de plusieurs fournisseurs. Les compositions chimiques et les propriétés des différentes fibres sont significativement différentes. Les fibres de graphite sont fabriquées à partir de deux matériaux précurseurs, le polyacrilonitrile (PAN) et le brai de pétrole. Des efforts pour fabriquer des fibres de graphite à partir de brai à base de charbon sont en cours. Des fibres de graphite avec une large gamme de résistances et de modules sont disponibles.
Les principaux renforts de fibres discontinues à ce moment sont l’alumine et l’alumine-silice. Les deux ont été développés à l’origine comme matériaux isolants. Le matériau principal de la moustache est le carbure de silicium. Le principal produit commercial américain est fabriqué par pyrolyse des coques de riz. Le carbure de silicium et le carbure de bore, les principaux renforts particulaires, sont obtenus dans l’industrie des abrasifs commerciaux. Les particules de carbure de silicium sont également produites comme sous-produit du processus utilisé pour fabriquer des moustaches de ce matériau.
Un certain nombre de fils métalliques, y compris le tungstène, le béryllium, le titane et le molybdène, ont été utilisés pour renforcer les matrices métalliques. Actuellement, les renforts de fil les plus importants sont les fils de tungstène en superalliages et les matériaux supraconducteurs incorporant du niobium-titane et du niobium-étain dans une matrice de cuivre. Les renforts cités ci-dessus sont les plus importants à cette époque. Beaucoup d’autres ont été essayés au cours des dernières décennies, et d’autres encore seront sans aucun doute développés à l’avenir.
Matériaux matriciels et composites clés: De nombreux métaux ont été utilisés comme matrices. Les plus importants ont été les alliages et les superalliages d’aluminium, de titane, de magnésium et de cuivre.
Les systèmes MMC les plus importants sont:
- Matrice d’aluminium
- Fibres continues: bore, carbure de silicium, alumine, graphite
- Fibres discontinues: alumine, alumine-silice
- Moustaches: carbure de silicium
- Particules: carbure de silicium, carbure de bore
- Matrice de magnésium
- Fibres continues: graphite, alumine
- Moustaches: carbure de silicium
- Particules: carbure de silicium, carbure de bore
- Matrice de titane
- Fibres continues: carbure de silicium, bore revêtu
- Particules: carbure de titane
- Matrice de cuivre
- Fibres continues: graphite, carbure de silicium
- Fils: niobium-titane, niobium-étain
- Particules: carbure de silicium, carbure de bore, carbure de titane.
- Matrices de superalliage
- Fils: tungstène
Caractéristiques et considérations de conception: Les propriétés mécaniques supérieures des MMC déterminent leur utilisation. Une caractéristique importante des MMC, cependant, et qu’ils partagent avec d’autres composites, est qu’en choisissant correctement les matériaux de matrice, les renforts et les orientations de couche, il est possible d’adapter les propriétés d’un composant pour répondre aux besoins d’une conception spécifique.
Par exemple, dans de larges limites, il est possible de spécifier la résistance et la rigidité dans un sens, le coefficient de dilatation dans un autre, etc. Cela est rarement possible avec des matériaux monolithiques.
Les métaux monolithiques ont tendance à être isotropes, c’est-à-dire à avoir les mêmes propriétés dans toutes les directions. Certains processus tels que le laminage, cependant, peuvent conférer une anisotropie, de sorte que les propriétés varient en fonction de la direction. Le comportement contrainte-déformation des métaux monolithiques est généralement élastique-plastique. La plupart des métaux structurels ont une ductilité et une ténacité à la rupture considérables.
La grande variété de MMC ont des propriétés qui diffèrent considérablement. Les facteurs influençant leurs caractéristiques comprennent:
- Propriétés de renforcement, forme et disposition géométrique
- Fraction volumique de renforcement
- Propriétés de la matrice, y compris les effets de porosité
- Propriétés d’interface renforcement-matrice
- Contraintes résiduelles résultant de l’historique thermique et mécanique du composite
- Dégradation possible du renfort résultant de réactions chimiques à hautes températures, et dommages mécaniques dus au traitement, aux chocs, etc.
Les CMM renforcés de particules, comme les métaux monolithiques, ont tendance à être isotropes. La présence de renforts fragiles et peut-être d’oxydes métalliques tend cependant à réduire leur ductilité et leur ténacité à la rupture. Le développement continu peut réduire certaines de ces lacunes.
Les propriétés des matériaux renforcés de moustaches dépendent fortement de leur orientation. Les moustaches orientées aléatoirement produisent un matériau isotrope. Des procédés tels que l’extrusion peuvent cependant orienter les moustaches, ce qui donne des propriétés anisotropes. Les moustaches réduisent également la ductilité et la ténacité à la rupture.
Les MMC renforcés de fibres alignées ont des propriétés anisotropes. Ils sont plus forts et plus rigides dans la direction des fibres que perpendiculairement à celles-ci. Cependant, la résistance et la rigidité transversales des MMC unidirectionnels (matériaux dont toutes les fibres sont orientées parallèlement à un axe) sont fréquemment suffisantes pour être utilisées dans des composants tels que des raidisseurs et des entretoises. C’est l’un des avantages majeurs des MMCS par rapport aux PMCS, qui peuvent rarement être utilisés sans renfort transversal.
Comme le module et la résistance des matrices métalliques sont significatifs par rapport à ceux de la plupart des fibres de renforcement, leur contribution au comportement composite est importante. Les courbes contrainte-déformation des CMM montrent souvent une non-linéarité significative résultant du rendement de la matrice.
Un autre facteur qui a un effet significatif sur le comportement des métaux renforcés de fibres est la différence souvent importante de coefficient de dilatation entre les deux constituants. Cela peut provoquer des contraintes résiduelles importantes dans les composites lorsqu’ils sont soumis à des changements de température importants. En fait, lors du refroidissement à partir des températures de traitement, les contraintes thermiques de la matrice sont souvent suffisamment sévères pour provoquer un rendement. Des contraintes résiduelles importantes peuvent également être produites par chargement mécanique.
Bien que les CMM fibreux puissent présenter des courbes contrainte-déformation affichant une certaine non-linéarité, ce sont essentiellement des matériaux fragiles, tout comme les CMM. En l’absence de ductilité pour réduire les concentrations de contraintes, la conception des joints devient une considération critique de conception. De nombreuses méthodes d’assemblage de MMCS ont été développées, y compris le collage métallurgique et polymérique et les fixations mécaniques.
Méthodes de fabrication: Les méthodes de fabrication sont une partie importante du processus de conception de tous les matériaux de structure, y compris les MMC. Des travaux considérables sont en cours dans ce domaine critique. Des améliorations significatives des processus existants et le développement de nouveaux processus semblent probables.
Les méthodes actuelles peuvent être divisées en deux grandes catégories, primaire et secondaire. Des méthodes de fabrication primaires sont utilisées pour créer le MMC à partir de ses constituants. Le matériau résultant peut se présenter sous une forme proche de la configuration finale souhaitée, ou il peut nécessiter un traitement supplémentaire important, appelé fabrication secondaire, tel que le formage, le laminage, le collage métallurgique et l’usinage. Les procédés utilisés dépendent du type de renfort et de la matrice.
Une considération critique est les réactions qui peuvent se produire entre les renforts et les matrices pendant le traitement primaire et secondaire aux températures élevées requises pour fondre et former les métaux. Ceux-ci imposent des limitations sur les types de constituants qui peuvent être combinés par les différents processus. Parfois, des revêtements barrières peuvent être appliqués avec succès sur des renforts, ce qui leur permet d’être combinés avec des matrices qui autrement seraient trop réactives. Par example, l’application d’un revêtement tel que le carbure de bore permet d’utiliser des fibres de bore pour renforcer le titane. Les réactions potentielles entre matrices et renforts, même enrobés, sont également un critère important pour évaluer les températures et les durées correspondantes auxquelles les MMC peuvent être soumises en service.
Des fibres monofilament de diamètre relativement grand, telles que le bore et le carbure de silicium, ont été incorporées dans des matrices métalliques en pressant à chaud une couche de fibres parallèles entre les feuilles pour créer un ruban monocouche. Dans cette opération, le métal s’écoule autour des fibres et une liaison par diffusion se produit. La même procédure peut être utilisée pour produire des stratifiés liés à la diffusion avec des couches de fibres orientées dans des directions spécifiées pour répondre aux exigences de rigidité et de résistance pour une conception particulière. Dans certains cas, les stratifiés sont produits par des bandes monocouches de pressage à chaud dans ce qui peut être considéré comme une opération secondaire.
Des rubans monocouches sont également produits par pulvérisation de plasmas métalliques sur des fibres collimatées, suivie d’un pressage à chaud. Les formes structurelles peuvent être fabriquées par fluage et formage superplastique de stratifiés dans une matrice. Un autre procédé consiste à placer les fibres et les feuilles non liées dans une matrice et à presser à chaud l’ensemble.
Les entretoises en bore / aluminium utilisées sur la navette spatiale sont fabriquées à partir de feuilles monocouches enroulées autour d’un mandrin et pressées isostatiquement à chaud pour lier par diffusion les couches de feuilles ensemble et, en même temps, pour lier par diffusion le stratifié composite aux embouts en titane.
Les composites peuvent être fabriqués en infiltrant du métal liquide dans un tissu ou une configuration fibreuse préarrangée appelée préforme. Fréquemment, des matériaux liants céramiques ou organiques sont utilisés pour maintenir les fibres en position. Ce dernier est brûlé avant ou pendant l’infiltration. L’infiltration peut être réalisée sous vide, sous pression ou les deux. L’infiltration sous pression, qui favorise le mouillage des fibres par la matrice et réduit la porosité, est souvent appelée coulée par compression.
Les MMC coulés offrent désormais une forme nette ou nette, une rigidité et une résistance améliorées et une compatibilité avec les techniques de fabrication conventionnelles. Ils sont également constamment moins coûteux que ceux produits par d’autres méthodes, sont disponibles auprès d’un large éventail de fabricants et offrent une stabilité dimensionnelle dans les grandes et les petites pièces.
Par exemple, Duralcan a développé sa technologie de « mélangeur de crème glacée » et ses contrôles de processus au point de produire jusqu’à 25 millions de livres par an de billettes composites d’aluminium. Le moulage de précision a été modifié chez Cercast pour couler des billettes de Duralcan en pièces complexes en forme de filet. La coulée sous pression produit des formes de filet aux propriétés exceptionnelles chez Alcoa, tandis que l’infiltration sans pression est utilisée chez Lanxide Corp. pour fabriquer des composants en forme de filet.
À l’heure actuelle, la méthode la plus couramment utilisée pour fabriquer des composites graphite / aluminium et graphite / magnésium est l’infiltration. Le fil de graphite est d’abord passé à travers un four pour brûler tout calibrage qui a pu être appliqué. Ensuite, il passe par un processus CVD qui applique un revêtement de titane et de bore qui favorise le mouillage par la matrice. Ensuite, il traverse immédiatement un bain ou une fontaine de métal fondu, produisant un faisceau de fibres infiltré appelé « fil ». »Les plaques et autres formes structurelles sont produites en opération secondaire en plaçant les fils entre les feuilles et en les pressant, comme cela se fait avec les monofilaments. Le développement récent de revêtements « stables à l’air » permet l’utilisation d’autres procédés d’infiltration, tels que la coulée, éliminant le besoin de « fils » comme étape intermédiaire. D’autres approches sont en cours d’élaboration.
Une méthode de fabrication secondaire particulièrement importante pour les composites à matrice de titane est le collage par formage/ diffusion superplastique (FPS / DB). Pour réduire les coûts de fabrication, des procédés continus tels que la pultrusion et le collage à chaud sont en cours de développement.
Trois méthodes de base sont utilisées pour fabriquer des CMM renforcés de moustaches et de particules. Deux utilisent des métaux en poudre; l’autre utilise une approche de métal liquide, dont les détails sont exclusifs.
Les deux procédés poudre-métal diffèrent principalement par la façon dont les constituants sont mélangés. L’un utilise un broyeur à boulets, l’autre utilise un liquide pour faciliter le mélange, qui est ensuite éliminé. Les mélanges sont ensuite pressés à chaud en billettes.
Les procédés secondaires sont similaires à ceux des métaux monolithiques, y compris le laminage, l’extrusion, le filage, le forgeage, le fluage et l’usinage. Ce dernier pose quelques difficultés car les renforts sont très durs.
