Elaboration et Caractérisation d’un Alliage Ferro-TiC

Etude bibliographique

Les technologies modernes font appel à des matériaux dotés de propriétés que les matériaux traditionnels (métaux, céramiques et polymères) ne peuvent offrir, les matériaux résistants sont souvent relativement denses et une augmentation de la résistance et la rigidité fait généralement diminuer la résilience. Pour avoir une combinaison entre ces propriétés une gamme de propriétés des matériaux disponibles s’étend au rythme du développement de la famille des matériaux composites dont les propriétés sont plus intéressantes que celles des matériaux qui les constituent. Dans ce chapitre, nous allons présenter dans un contexte général les composites ainsi que les différents types des composites. On traite ensuite les matériaux composites à matrice métallique (CMM) et plus particulièrement ceux à renforts particulaire (CMMp), leurs constituants et leurs propriétés. L’étude est ensuite focalisée sur les différentes techniques d’élaboration des composites Fe-TiC par la métallurgie des poudres. Ainsi, nous présentons leurs propriétés (microstructure, mécaniques…ect) et leurs applications. La métallurgie des poudres est classiquement associée au frittage, qui permet de réaliser des composites impossibles à obtenir par coulée ou de produire des matériaux poreux. La suite de ce chapitre traite dans un conteste général le processus de frittage ses types, ses stades ainsi que les mécanismes de transport de la matière. L’usure de ces matériaux s’inscrit dans un cadre plus large qui est celui de la tribologie. Nous allons définir précisément cette science et présenter les concepts utilisés pour comprendre les phénomènes de dégradation.

Les composites

Un matériau composite est un assemblage d’au moins deux composants non miscibles et de natures différentes . Les composites sont principalement constitués d’une matrice dans laquelle nous dispersons de façon contrôlée ou non des renforts qui sont généralement constituées de fibres ou particules. La matrice maintient les renforts et assure la cohésion de la structure et la transmission des efforts vers le renfort, tandis que les renforts apportent principalement leurs caractéristiques mécaniques élevées (modules et limites d’élasticité, résistance mécanique…) [16]. Cette association a pour but d’obtenir un matériau hétérogène possède des propriétés  spécifiques supérieures à celles des composants pris séparément. Le concept du matériau composite, par le choix des composants et de leurs proportions respectives, ainsi que par le choix des dimensions, de la forme et de la disposition des renforts, permet donc de concevoir un nouveau matériau présentant les caractéristiques spécifiques recherchées. 

Les différents types de composites

Un matériau composite est constitué dans le cas le plus général d’une ou plusieurs phases discontinues réparties dans une phase continue dont l’association confère au matériau final des propriétés différentes de chacune de ces phases. La matrice est le milieu continu dans lequel est dispersée la deuxième phase. Cette phase constitue le renfort du matériau composite. Le renfort peut être ajouté dans la matrice à différente fraction massique et sous différentes formes (Figure I.2). Les familles de matériaux composites sont classées en fonction de la matrice et du type de renfort : – Les composites à matrice polymère : ils sont renforcés entre autres par des fibres de verres, de carbone, d’acier ou des particules argileuses ; – Les composites à matrices céramique (CMC) : les renforts sont alors une phase céramique identique ou différente de la matrice ; – Les composites à matrice métallique (CMM) dont fait partie le composite étudié dans ce travail. La matrice des CMM peut être une matrice aluminium, magnésium, fer, cuivre et les renforts sont soit céramiques (oxydes, carbures) soit métalliques (tungstène, molybdène). Les renforts peuvent avoir une géométrie différente selon les types d’application et les propriétés L’étude bibliographique  mécaniques attendues. Ils existent trois types de CMM : les CMM à fibres longues, les CMM à fibres courtes ou whiskers, et enfin les CMM particulaires (Figure I.2a). Figure I.2: (a) Vue schématique des différents CMM (b) Morphologie des particules. En raison de leurs propriétés spécifiques élevées, par rapports aux alliages métalliques traditionnels, les composites à matrice métallique (CMM) représentent des matériaux d’intérêt pour des applications de haute technologie dans les domaines aéronautique et aérospatiale et de l’armement avec des productions en faible volume. Les CMM les plus couramment utilisés sont à renfort particulaires. Les CMM particulaires sont plus faciles et moins chers à produire que les CMM fibreux : le coût de la matière première est moins élevé et les techniques de production se rapprochent plus de techniques de mise en forme. Les matériaux métalliques renforcés par des particules céramiques peuvent constituer une alternative aux alliages métalliques, ils se  caractérisent notamment par une meilleure résistance à l’usure pour des pièces de frottement (pistons, pièces de freinage…), par de meilleures caractéristiques mécaniques associées à une faible densité (bielles, axes de piston), par une meilleure résistance en fatigue thermique, une rigidité élevée ainsi que de meilleures propriétés mécaniques à chaud. Ces propriétés sont pour partie liées à la qualité de l’interface entre le renfort et la matrice. Pour une description plus détaillée des différents composites à matrice métallique, le lecteur peut se référer à [17, 18]. I.2.2 Les Composites à matrice métallique Comme leur nom l’indique, ces composites sont constitués d’une matrice en métal (fer, aluminium, magnésium, titane, molybdène ou cuivre) et de renforts en matériau à caractéristiques différentes (céramique, métallique ou intermétallique). Les matériaux composites à matrice métallique (CMM) ont sensiblement évolué depuis leur apparition dans les années 1960. Les applications envisagées étaient orientées exclusivement vers l’industrie aéronautique et spatiale. C’est seulement à partir des années 1980 avec l’apparition de renforts commercialement intéressants et de meilleure qualité que d’autres domaines d’application ont été envisagés. De nos jours, les composites à matrice métallique (CMM) intéressent les concepteurs des industries automobiles, transport terrestre, électroniques et de loisir pour leur capacité à répondre à des exigences mécaniques spécifiques. Les composites à matrice métallique représentent une nouvelle classe de matériaux qui tend à se développer de plus en plus. Les CMM renforcés par des particules ou des fibres permettent d’augmenter notablement les propriétés mécaniques. Ils sont classés suivant le type du renfort en deux familles de CMM [19]. • CMMp – composites à matrice métallique renforcés par des particules • CMMf – composites à matrice métalliques renforcés par des fibres I.2.3 Les composites à matrice métallique à renfort particulaire CMMp Les composites à matrice métallique sont des matériaux hautement technologiques avec des applications très spécifiques. Les développements industriels se sont orientés très tôt vers les matériaux composites à matrice métallique à renfort particulaire (CMMp), ils sont surtout utilisés pour des applications à très haute résistance. Un matériau composite est dit à particules lorsque le renfort se trouve sous forme de particules. Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des matériaux  ou des matrices, comme la rigidité, la tenue à la température, la résistance à l’abrasion, la diminution du retrait. Selon la morphologie des particules et leur répartition, il est possible de faire varier les propriétés dans des proportions intéressantes. C’est le cas, par exemple, de la majorité des propriétés physiques telles que le coefficient de dilatation thermique, la diffusivité thermique, la résistance électrique…etc [20]. Le choix de l’association matrice-particules dépend des propriétés souhaitées. Par exemple, des inclusions de plomb dans des alliages de cuivre augmenteront leur facilité d’usinage. Des particules de métaux fragiles tel le tungstène, le chrome et le molybdène, incorporées dans des métaux ductiles augmenteront leurs propriétés à températures élevées, tout en conservant le caractère ductile à température ambiante

Eléments constituants d’un matériau composite

La matrice : Appelée aussi liante. La matrice a pour fonction d’assurer la cohésion des renforts, de repartir les efforts et même d’assurer la protection chimique. Dans le cas des CMM la matrice est métallique ; les métaux les plus souvent utilisés sont : l’aluminium, le magnésium et le titane, pour les hautes températures c’est le cobalt (parfois allié avec du nickel). La matrice métallique donne au matériau composite de nouvelles propriétés. Les plus communes sont : des meilleures propriétés mécaniques, une meilleure résistance au feu et à la température, une meilleure conductivité électrique et thermique, une résistance aux radiations, une imperméabilité au gaz et à l’humidité. Ils sont utilisés dans des domaines très variés : du foret de perceuse (tungstène) à l’aérospatial en passant par l’automobile. Cependant le facteur qui limite leur exploitation est le coût, bien supérieur à celui des matériaux plus conventionnels. Les recherches sur ces matériaux sont assez récentes (environ une vingtaine d’années) mais ils ont très vite remplacé les matériaux conventionnels dans certaines applications précises : automobile (moteur, frein…) et aéronautique (empennage, train d’atterrissage, turbine…) [21]. b. Renfort : le matériau implanté dans la matrice sous forme de particules ou de fibres pour but d’accroître les propriétés mécaniques (rigidité, résistance à la rupture, dureté, etc.) et d’améliorer des propriétés physiques, tels les comportements au feu et à l’abrasion, la tenue en température ou les propriétés électriques [22]. Plusieurs renforts ont été classé suivant leur forme leur dimension et leur nature chimique

Renfort discontinu

Les renforts dont toutes les dimensions sont très inférieures aux dimensions du composite. Trois types de renfort discontinu utilisés dans les composites à matrice métallique, renfort de particules, de trichites, de fibres courtes (Fig I.3). Les caractéristiques de ces renforts sont rassemblées dans le tableau I.1. – Renfort à particules Les particules sont toutes les morphologies de renfort quasi isotropes (facteur I/d (longueur/diamètre) compris entre 0,2 et 1). Ces morphologies peuvent être de type sphérique ou aciculaire de taille moyenne des particules variant entre 5 et 50 µm. Pour les renforts à particules, les fractions volumiques varient généralement entre 10 et 50%. Les particules peuvent être directement associées au métal sous forme dispersée par mélange, ou préparées en préformes et imprégnées ultérieurement par le métal. – Renfort de trichites Les trichites sont des fibres discontinues monocristallines, elles ont des propriétés mécaniques très élevées. Pour les CMM, généralement les trichites utilisées sont (carbure de silicium, nitrure de silicium et le titanate de potassium) de diamètre moyen varie entre 0,1 et 0,5 µm, leur longueur entre 20 et 100 µm. Les fractions volumiques de trichites dans les CMM sont comprises entre 15 et 25 %. – Renforts de fibres courtes Les fibres courtes sont des fibres polycristallines ou amorphes d’alumine ou de mélanges d’alumine et de silice. Les caractéristiques de ces fibres sont inférieures à celles des trichites, leurs fractions volumiques comprises entre 5 à 25 %. Le diamètre moyen des fibres courtes varie entre 3 et 5 µm, leur longueur entre 100 et 600 µm.