Les composites à matric métallique/céramique - de nouveaux procédés de fabrication pour de nouvelles applications A. Mertens et J. Lecomte-Beckers Université de Liège Science des Matériaux Métalliques (MMS) www.pluscomposites.eu

1. « Workshop +Composites », PiMW, Liège, 20 mai 2014
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2. Introduction (1)
• Composite (Larousse) = matériau formé de plusieurs composants
élémentaires dont l’association confère à l’ensemble des propriétés
qu’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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3. Introduction (2)
• Composite (Larousse) = matériau formé de plusieurs composants
élémentaires dont l’association confère à l’ensemble des propriétés
qu’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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4. 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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5. 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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6. 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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7. 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

8. 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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9. 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]
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10. 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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11. 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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12. 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 oeuvre
Durcissement par solution solide d’Al
dans l’austénite
⇒ Résistance à l’usure ↑
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13. 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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14. 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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15. 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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16. 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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17. [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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18. 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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19. 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

20. 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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21. 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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22. 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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23. 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), 241
Les publications de l’ULg-MMS sont disponibles sur http://orbi.ulg.ac.be/
Site internet ULg-MMS: http://www.metaux.ulg.ac.be/ 23