Les composites à matric métallique/céramique - de nouveaux procédés de fabrication pour de...

« Workshop +Composites », PiMW, Liège, 20 mai 2014

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Introduction (1)• Composite (Larousse) = matériau formé de plusieurs composants

élémentaires dont l’association confère à l’ensemble des propriétésqu’aucun des composants pris séparément ne possède – Matrice = le plus souvent une résine organique– Mais les matrices peuvent également être métalliques/céramiques

→ Marchés de niche et propriétés répondant à des exigences très spécifiques (pex: comportement à haute température)

Influence du renfort sur la résistance à haute température d’un alliage d’Al (a,b: composite; c: alliage seul)[Kainer, 2006]

Influence du renfort (Al2O3) sur la résistance à haute température de NiAl[Zhong et al., 2007]

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Introduction (2)• Composite (Larousse) = matériau formé de plusieurs composants

élémentaires dont l’association confère à l’ensemble des propriétésqu’aucun des composants pris séparément ne possède – Matrice = le plus souvent une résine organique

(le plus important en termes de marchés)– Mais les matrices peuvent également être métalliques/céramiques

→ Marchés de niche et propriétés répondant à des exigences très spécifiques (pex: comportement à haute température)

– Composants non miscibles ou qui ne pourraient pas être obtenus sous la forme désirée par les procédés de mise en œuvre habituels

• Tendances et développements récents dans la production et les applications de composites à matrice métallique/céramique– Composites architecturés, où le renfort est localisé– Recours de plus en plus fréquents à des nano-renforts

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Plan de l’exposé

• Introduction – les composites à matrice métallique/céramique• Méthodes de fabrication

– Méthodes « classiques »…– … et nouveaux procédés

• Applications– Une amélioration des propriétés mécaniques…– … mais aussi de nouvelles fonctionnalités

• Conclusions• Remerciements• Bibliographie

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Méthodes classiques de fabrication (1)Forgeage liquide, thixomoulage

• Insertion localisée du renfort• Renfort continu, anisotropie• Difficultés:

− Contrôle de la solidification− Réactions interfaciales− Rigidité de la préforme− Mouillage: très mauvais pour C-Mg

Composites CMg

[A.Mertens et al., 2012, ULg-UCL]

Ecrasement de la préforme,Fissuration

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Méthodes classiques de fabrication (2)Frittage / Métallurgie des poudres

• Renfort discontinu• Difficultés:

− Mélange des poudres et bonne dispersion du renfort

− Réactions interfaciales

− Porosité résiduelle

[Srivatsan et al, 1995]

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Méthodes classiques de fabrication (3)Difficultés et limitations• Contrôle de la solidification• Contrôle des réactions interfaciales• Mouillage: un mauvais mouillage peut être néfaste à la

mise en œuvre du composite et la cohésion interfaciale• Bonne dispersion/disposition du renfort

• Matériaux architecturés:‒ Renfort localisé‒ Dépôt en surface, sandwich…

• Nano-particules: ‒ Amélioration des propriétés mécaniques‒ Matériaux fonctionnalisés (propriétés électriques, thermiques…)‒ Très forte tendance des nano-particules à s’agglomérer, dispersion

homogène très difficile à obtenir! 7

Plan de l’exposé

• Introduction – les composites à matrice métallique/céramique• Méthodes de fabrication

– Méthodes « classiques »…– … et nouveaux procédés

• Friction malaxage• 3D printing

• Applications– Une amélioration des propriétés mécaniques…– … mais aussi de nouvelles fonctionnalités

• Conclusions• Remerciements• Bibliographie

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Nouveaux procédés(1)« Friction stir processing »

• Technique dérivée du soudage par friction-malaxage

• Déformation plastique et brassage de la matière

• Procédé à l’état solide• Réalisation de matériaux

architecturés• Bonne dispersion de

nano-particules (moyennant plusieurs passages de l’outil)

[Commin, 2008]9

Nouveaux procédés(2)« Friction stir processing »

• Insertion de la phase de renfort‒ Trous ou gorges usinés dans le

métal‒ Sandwich résultant de

l’empilement de tôles et d’un tissu ou d’un « bucky paper » (nanotubes de C)

‒ Matériau architecturé = cœur composite + couches de peau plus ductiles

[Mertens et al., 2012, ULg-UCL]

[Yang et al., 2010]

Les fibres de carbone sont fragmentées en cours de process

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Nouveaux procédés(3)« 3D printing »

• Laser cladding: poudre projetée sur un substrat et fondue par un laser‒ Mélange de 2 poudres…‒ … ou poudre composite

• Gradient de matière/propriétés• Revêtement composite

[Dubourg et Archambeault, 2008]

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Nouveaux procédés(4)« 3D printing »

• Réactivité entre le renfort et la matrice

• Stabilité thermique du renfort• Exemple: AISI304 + Al2O3

[Xu et al., 2014]

Al2O3 fond pendant la mise en oeuvreDurcissement par solution solide d’Al dans l’austénite⇒ Résistance à l’usure ↑

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Plan de l’exposé

• Introduction – les composites à matrice métallique/céramique• Méthodes de fabrication

– Méthodes « classiques »…– … et nouveaux procédés

• Applications– Une amélioration des propriétés mécaniques…– … mais aussi de nouvelles fonctionnalités

• Conclusions• Remerciements• Bibliographie

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Des propriétés mécaniques améliorées (1)Composites Mg + nanotubes de carbone• FSP ⇒ recristallisation dynamique et affinement des grains• Affinement des grains plus marqué dans le composite• Dureté ↑

[Mertens et al., ULg-UCL]

Matériau de base FSP (9 passes) Mg + nanotubes de C

Dureté (HV10) Taille de grains (µm)

Référence 58.9 ± 0.2 17.0 ± 4.8

Composite Mg + nanotubes de C 68.7 ± 0.5 3.8 ± 1.2

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Des propriétés mécaniques améliorées (2)Composites Cu + nano-particules Y2O3

• FSP ou FSP + laminage• Amélioration de la capacité

d’écrouissage

[Avettand-Fenoël et al., 2014]

3 passes 9 passes

Distribution plus homogène

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Revêtement composites

[Dutta Majumdar et al., 2009a]

Dureté, résistance à l’usure ↑↑

Inox 316L

5% SiC

20% SiC

Des propriétés mécaniques améliorées (3)

• Laser Cladding• Inox 316L + SiC

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[Dutta Majumdar et al., 2009b]

Dureté ↑↑

Meilleure biocompatibilité (pour des prothèses de hanche)

De nouvelles fonctionnalités (1)Gradient de composition

• Laser Cladding• Ti6Al4V/Co

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De nouvelles fonctionnalités (2)Composites Mg + nanotubes de carbone• Influence des nanotubes de carbone sur les propriétés

thermiques (dilatation, conductivité…) et/ou électriques• Applications: boîtier électronique, dissipateur thermique…

[Mertens et al., ULg-UCL]

Conductivité thermique ↑

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De nouvelles fonctionnalités (3)Composites Al + nanotubes de carbone

[Liu et al., 2012]

• Influence des nanotubes de carbone sur les propriétés thermiques (dilatation, conductivité…) et/ou électriques

• Applications: boîtier électronique, dissipateur thermique…

Coefficient d’expansion thermique ↓ 19

De nouvelles fonctionnalités (4)Intermétalliques à base FeAl

[van der Rest et al., 2014]

• Soudage par « Friction Melt Bonding »• Matériaux thermoélectriques pour récupération d’énergie

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Conclusions • Matériaux composites:

– Amélioration des propriétés mécaniques– Nouvelles fonctionnalités

pex: propriétés thermiques et/ou électriques, biocompatibilité

• Développements récents:– Matériaux architecturés– Recours à des nano-particules de renfort

• Nouvelles méthodes de production– Friction-malaxage– 3D printing (laser cladding)

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Remerciements• L’équipe du laboratoire MMS (ULg): H.M. Montrieux et S. Salieri • Sirris: J. Halleux et D. Garray• UCL: A. Simar et F. Delannay, ainsi que l’équipe du LAFAB• Pour leur soutien financier

– La Région Wallonne (Programme Winnomat)– Le programme de pôles d’attraction interuniversitaire, office belge de la

politique scientifique, contrat IAP7/21 “INTEMATE”– Les Fonds de Développement Européen et la Région Wallonne (Belgique),

Project FEDER TipTopLam

• Merci pour votre attention!

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Bibliographie• M.-N.Avettand-Fenoël et al., Mater. Des., 60 (2014), 343• L.Commin, Thèse de doctorat, ENSAM, Paris, 2008• L.Dubourg et J.Archambeault, Surf. Coat .Technol., 202 (2008), 5863• J.Dutta Majumdar et al., Tribology Int., 42 (2009a), 750• J.Dutta Majumdar et al., J. Mater. Process. Technol., 209 (2009b), 2237• K.U.Kainer, « Metal Matrix Composites. Custom-made Materials for Automotive

and Aerospace Engineering », Weinheim, 2006, pp. 1-54• Z.Y.Liu et al., Composites Science and Technology, 72 (2012), 1826• A.Mertens et al., Mater. Sci. Forum, 706-709 (2012), 1221• T.S.Srivatsan et al., Prog. Mater. Sci., 39 (1995), 317• C.van der Rest et al., Scr. Mater., 77 (2014), 25• P.Xu et al., Surf. Coat. Technol., 238 (2014), 9• M.Yang et al., J. Mater. Sci., 45 (2010), 4431• Y.Zhong et al., MSEA, 464 (2007), 241Les publications de l’ULg-MMS sont disponibles sur http://orbi.ulg.ac.be/Site internet ULg-MMS: http://www.metaux.ulg.ac.be/ 23