Etude de l’assemblage de plaques de composite SiC … · 2012-06-06 · Les métaux sont tous...

E.Jacques1, L. Maillé1, Y. Le Petitcorps1, C. Lorrette1,2

L. Chaffron2 et C. Sauder2

1Université

Bordeaux 1, Laboratoire des Composites ThermoStructuraux,UMR 5801, 3 allée

de la Boétie, Pessac, France.

2CEA Saclay DEN/DMN/SRMA/LTMEX, Gif sur Yvette, France.

Etude de l’assemblage de plaques de composite SiCf /SiCm :Recherche d’un matériau et d’un procédé.

Lyon 19-20/03/20121

Cahier des charges de l’Assemblage :-

Ne pas appliquer de pression,

-

Tenue jusqu’à

1500°C,-

Chauffage localisé

et rapide,

-

Etanche,-

Tenace,

-

Adhérent,-

Stable dans le temps et en T°,

-

Susceptible de supporter des incursions à

2000°C.

Contraintes imposées par le composite SiCf /SiCm

-

Le composite : tenace mais sensible à

la fissuration-

La surface du composite : ±

rugueuse et ne peut pas être polie,

- Fibre de SiC pur microcristallisé

: chute des propriétés dès 1600°C, dégradation importante au-delà

de 1800°C,

-

Prise en compte des contraintes résiduelles thermiques,-

Le SiC est réactif avec beaucoup de composés.

Quel matériau? Comment l’appliquer?

2

Assemblage par du carbure de silicium ?

2 voies possibles

:

3

la voie précurseur pré-céramique

:

Avantage

: facilité

de mise en forme,

Inconvénients

: taux de conversion, pureté.

La voie de réaction «

in-situ

»

:

Avantage

: pureté,

Inconvénients

: durée de réaction, retrait volumique, adhésion

Elaboration d’un joint céramique en carbure de silicium à

partir d’un polymère pré-céramique : L’allyhydrido polycarbosilane (AHPCS)

AHPCS :-

Mise en forme facile, fortement ramifié, sensible à

l’oxygène,

-

Cycle de conversion réalisé

(~1200°C),-

Taux de conversion de 80%,

-

Mais retrait important.

Diminution du retrait : ajout d’une charge de SiC submicronique Proportions optimales 2/3masse

SiCpoudre

+ 1/3masse

AHPCS

→

Dépôt poreux, Epaisseur non maîtrisée,Mauvaise accroche par endroit.

4100 µm

30 µm

Réaction « in-situ » :Dépôts nanométriques par PVD Silicium-Carbone (1)

1h à

1100°CAprès dépôt

couches alternées 70nm(Si)-30nm(C)

400°CSans 

chauffage 

(1) Collaboration J.P. Manaud- L. TEULE-GAY (ICMCB-CNRS)

-

Durée de dépôt trop longue,

-

Epaisseur trop faible/ rugosité,

-

Retrait volumique de 30% ( Si+C=SiC),

-Adhésion certainement faible.

Possibilité

de faire des réactions «in-situ» rapidement, à

T

modérée.

Dépôts PVD

5

2 µm

10 µm10 µm

C CSi

Si

-

Les métaux sont tous réactifs avec le SiC-

Les carbures ou siliciures métalliques :SiC+ MSi2SiC+ MCSiC+ M5

Si3

: Réactivité

chimique, adhésion.

-

Prendre en compte la Tfusion

,-

Prendre en compte la mouillabilité

et la cinétique d’étalement,

-

Prendre en compte la réactivité

en phase liquide,-

Prendre en compte les contraintes résiduelles (≠

et E avec SiC) au refroidissement.

Recherches de matériaux de brasage : utilisation de la voie liquide

(a)(a)

6

SiC TiSi2 MoSi2 TiC Si

Tf (°C) 2700 1540 2050 3140 1414

(10-6/K) 4,5 10,4 8,2 7,6 5-7

E(GPa) 400 260 400 450 130

Stabilité

thermochimique, faible adhésion,

Matériau de référence : Matériau BraSiC® développé par le CEA

(1)

(1)

(2)

(1) : Thèse de Mathieu Puyo-Pain Dec. 2006- (2): Présentation de B. Gwinner ISTN 2008

(1)

7

Comparaison des courbes d’essais de flexion 3-points d’un composite SiCf

/SiCm

et de composite SiCf

/SiCm

assemblés

Comment adapter les propriétés de la brasure à celles du SiC ?

Propriétés thermo-mécaniques : Intérêt de l’ajout d’une charge de SiC : � α

, ↗

E

210

220

230

240

250

260

270

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

TiSi2

10 % p

20 % p

30% p

Module en GPa

°C

E  Vs °C (1)

(1) Mesures de G. Loupias (LTMEx) CEA-DEN

(c)(a) (b) (c)(c)(a) (b)0%(vol)

SiC 10%(vol)

SiC 20%(vol)

SiC

Influence %Vol.SiC

60µm 60µm 60µm

Phase solide : TiSi2

+ SiC

8

Mesures du coefficient de dilatation thermique jusqu’à 1000°C :

Calculs et Mesures en T° du module de Young :

Comment limiter la réactivité du titane en phase liquide ?

0%(vol)

SiC 10%(vol)

SiC 20%(vol)

SiC

40µm 50µm 50µm

Phase liquide (TiSi2)Liq.

+ SiC

Influence %Vol.SiC

Epaisseur de la zone de réaction

Comparaison des morphologieset compositions de la Zone de Réaction.

SiC dans la brasure a un double effet positif :- il réduit Res.

-

il limite la réactivité

avec le substrat.

9

Mouillabilité de la brasure composite ?

tf

θf

‐

Angles de contacts croissants avec le taux de SiC,‐

Durée de l’étalement de l’ordre de 4 à 5 secondes quelle que soit la brasure,‐

Viscosité

augmente : le SiC ne fond pas‐

Résultats similaires : f

du Si est de 30°=f

du mélange TiSi2

+ 30% de SiC

10

TiSi2 +20%SiC

TiSi2

Comment disposer la brasure sur le composite ?

Voie revêtement par projection thermique :Réalisation d’un feuillard à interposer entre les 

deux plaques de composite (1)

(1) Luc Bianchi CEA-DAM Le Ripault

‐ épaisseur :  160 µm‐ Taux de porosité

: 50 %‐TiSi2

SiC

brasure

SiC

SiC

SiC

brasure

brasure

Voie revêtement par pulvérisation cathodique :Réalisation d’un multicouche déposé

directement 

sur le carbure de silicium (2)

(2) L. Teule-Gay et J.P. Manaud (ICMCB-CNRS)

TiSi2

+ 20%(vol)

SiC (co‐dépôts et couches nano de 30nm)

11

Réalisation de la brasure sur le composite :Mise en contact des deux plaques puis traitement thermique flash

dans un four inductif à 1680°C

Feuillard de TiSi2

, Projection plasma Dépôt TiSi2

+ 20%SiC par PVD

-

Réactivité

à

l’interface,

-

Présence de fissures : Epaisseur et conditions opératoires

-

Interface propre,

- Présence de particules de SiC,

- Pas de fissures (épaisseur ( 30 m) + SiC),

- Manque de matière ( procédé).

12

20µm

Eprouvettes Porte‐échantillon Joint

40mm

20mm

50mm

25mm

Distances inter‐appuis

Longueurs éprouvettes

Joint d’assemblage

Eprouvette SiC

Papyex

Essai de flexion 4-points

Test mécanique discriminatoire venant solliciter le joint-

Eprouvette supérieure en flexion → ouverture du joint -

Dimensions : épaisseur joint ≈

max. 300µm-

Initiation de la rupture : feuille de papyex

Schéma du dispositif expérimental : -

Echantillon soumis à

une précontrainte-

Mesure force appliquée / flèche de l’éprouvette supérieure

-

Vitesse de sollicitation : 0,05mm/min -

Mesure de l’émission acoustique

Comment tester la brasure sur le composite ?

1

4

32

Mode de rupture valable : 4

13

Réalisation d’essais sur plaques collées (Loctite et colle structurale) et assemblées (joint SiC (AHPCS))

‐

Comportement céramique monolithique

‐

Test, a priori, discriminant

‐

Flèche →

Déformation →

Module de Young

‐

Emission acoustique avant rupture

14

Bilan sur les matériaux et procédés d’assemblage

* Joint composite (présence de SiC),

* Système TiSi2

+ 20% de SiC

intéressant-stabilité

thermique 1500°C,

* Assemblage par brasage (bonne coulabilité

de la brasure),

* Evaluer les effets des chauffages et refroidissements flash,

* Autre disiliciure

envisageable et plus réfractaire : MoSi2

* La PVD peut dans certains cas être utilisée pour déposer le joint d’épaisseur contrôlée et de morphologie contrôlée (couches nanométriques, réactions « in-situ »),

* D’autres systèmes peuvent être envisagés :

Système TiCx

+ Si qui conduisent à

la formation «

in-situ »

d’un joint stable TiSi2

+SiC

Thèse E. Jacques Université de Bordeaux, Oct. 2012 15