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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