Formulation aluminium-oxyde de titane pour la fabrication de matériaux composites

Survol

Les composites à matrice métallique (CMM) sont grandement utilisés lorsque les matériaux employés doivent posséder des propriétés mécaniques particulières, par exemple la résistance mécanique, la rigidité, la résistance à l'usure, la résistance thermique et la légèreté. Les CMM sont constitués d'une matrice métallique et d'un matériau de (renfort. L'aluminium fait partie des matrices métalliques les plus utilisées et les matériaux céramiques sont généralement employés comme renforts.

Il est souvent difficile de choisir judicieusement la combinaison optimale de matrice métallique et de matériau de renfort, car certains matériaux candidats réagissent lorsqu'ils sont en présence l'un de l'autre. Pour prévenir de telles réactions, les matériaux de renfort peuvent être recouverts d'un revêtement, ce qui accroît toutefois les coûts et la complexité du procédé de production des CMM.

Le moulage basé sur le brassage mécanique d'un métal liquide et de son renfort (stir casting) constitue le plus simple et le moins coûteux des divers procédés de fabrication de CMM. L'adoption de ce procédé cause souvent un problème d'intégration des particules de céramique dans le métal en fusion.

Il a toutefois été récemment établi qu'une formulation particulière de CMM, soit une combinaison de calcium et de particules de céramique, permet non seulement de réaliser le mouillage avec l'aluminium liquide, mais favorise aussi la liaison des particules dans la matrice. Une technique de production a été mise au point et les résultats d'essais indiquent qu'elle permet d'intégrer de petites ou de grandes quantités de matériau céramique dans le métal. Son emploi se traduit par un accroissement de l'intégrité structurale des CMM et une réduction des coûts de traitement.

Transfert de technologie

Il est possible d'obtenir une licence pour la présente technologie, mais elle peut aussi faire l'objet de développements dans le cadre d'une entente de collaboration en recherche conclue avec le CNRC. Le numéro de dossier du CNRC, pour cette occasion d'affaires, est le 12539.

Applications commerciales

La présente technologie présente un intérêt particulier pour les fabricants de pièces pour véhicule automobile et ceux de véhicules, les fabricants d'outils spéciaux et de matériel récréatif ainsi que les fabricants de conducteurs électriques. La nouvelle technique leur permettra d'améliorer les propriétés des composites utilisés et de réduire les coûts de fabrication.

Comment ça fonctionne

Il existe plusieurs procédés de fabrication de CMM. Parmi ceux-ci, le moulage basé sur le brassage mécanique d'un métal liquide et de son renfort (stir casting) constitue la méthode de production la moins coûteuse. Elle consiste à effectuer la fusion du métal, à y ajouter des matériaux céramiques, à brasser le mélange puis à le couler sous la forme voulue.

Certaines combinaisons de métaux et de matériaux de renfort peuvent réagir lorsqu'ils sont en présence l'un de l'autre. Il était ainsi tout naturel d'intégrer des fibres de carbone à l'aluminium, car ces deux matériaux sont couramment utilisés dans l'industrie aérospatiale. L'aluminium réagit toutefois avec le carbone et forme un carbure d'aluminium fragile et sensible à l'humidité. Pour prévenir de telles réactions chimiques, les matériaux de renfort sont souvent recouverts d'un revêtement, ce qui accroît toutefois les coûts et la complexité du procédé de production des CMM et, dans bien des cas, entraîne des problèmes additionnels.

Même lorsque le renfort est adéquatement choisi parce qu'il ne réagit pas avec le métal fondu, son intégration constitue un sérieux problème en matière de production de CMM. Dans le cas du moulage basé sur le brassage mécanique, les métaux liquides présentent habituellement une médiocre capacité de mouillage des particules de renfort, ce qui provoque souvent leur séparation. Des agents mouillants doivent donc être ajoutés aux mélanges afin de favoriser le meilleur contact possible entre les renforts et le métal. Par exemple, le magnésium est habituellement utilisé de préférence comme agent mouillant, particulièrement lors de la fabrication de CMM comportant une matrice métallique en aluminium et des poudres de rutile (dioxyde de titane) comme matériaux de renfort.

D'autres agents mouillants ont déjà été mis à l'essai, mais l'intégration des poudres de céramique au métal peut encore être améliorée, notamment dans le cas du moulage par brassage mécanique pour permettre l'intégration de quantités plus importantes de poudres de céramique. Les CMM à plus forte teneur en matériaux céramiques présentent une résistance mécanique beaucoup plus élevée.

Une nouvelle technique de production de CMM mise au point dans nos installations permet de combiner du calcium (Ca) avec des particules de céramique et d'intégrer de petites ou de grandes quantités de ce matériau de renfort dans l'aluminium ou dans ses alliages. Les résultats obtenus démontrent que l'intégration des matériaux céramiques dans l'aluminium liquide est meilleure que dans le cas des autres techniques. Les CMM obtenus présentent aussi une intégrité structurale accrue, car la formulation utilisée permet de produire, par réaction chimique, une couche liant les particules et l'aluminium.

Le moulage par brassage mécanique ne produit que rarement des composites dont la matrice métallique a une teneur en matériaux céramiques supérieure à 25 % en volume; de plus, les techniques qui permettent effectivement d'obtenir une telle teneur supérieure à 35 % en volume sont beaucoup plus coûteuses et les résultats de production sont moins fiables. La nouvelle technologie donne des résultats remarquables, car elle permet d'obtenir des formulations ayant une teneur en matériaux céramiques supérieure à 50 % en volume, et ce, en combinant du calcium avec un matériau céramique peu coûteux, soit le rutile (dioxyde de titane). L'utilisation de cette technique de production permet de réduire les pertes de matière en fusion, la consommation d'énergie, la main d'œuvre et les coûts de traitement des CMM.

Bénéfices

  • La méthode permet d'intégrer plus de 50 % en volume de matériaux céramiques à la matrice métallique, grâce à un procédé de production peu coûteux de CMM, soit le moulage par brassage mécanique.
  • La combinaison de calcium et de matériaux céramiques améliore l'intégrité structurale des CMM.
  • L'utilisation de la méthode permet de réduire les pertes de matière en fusion, la consommation d'énergie, la main d'œuvre et les coûts de traitement.

Brevets

  • Dossier du CNRC numéro 12539 : Des demandes de brevet ont été déposées au Canada, aux États-Unis et en Europe.
  • Patents (en anglais seulement)

Personne-ressource

Pour toute question relative à la technologie décrite dans le présent document, veuillez contacter la personne suivante :

Jason Pierosara, Conseiller aux affaires du portefeuille
Téléphone : 613-998-9378
Courriel : Jason.Pierosara@cnrc-nrc.gc.ca

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