Mise en œuvre des métaux et composites à matrice métallique

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Mise en œuvre des métaux et CMM
Contacts
Corinne ARVIEU : [email protected]
Éric LACOSTE : [email protected]
Jean-Michel QUENISSET : [email protected]
Publications
E. LACOSTE, O. MANTAUX, M. DANIS - Numerical simulation of metal matrix
composites and polymer matrix composites processing by infiltration : a review,
Composites Part A : applied science and manufacturing, Vol. 33, n°12, 1605-1614, 2002
O. MANTAUX, M. DANIS, E. LACOSTE - Numerical prediction of microporosity
formation during the solidification of a pure metal within a fibrous preform,
Composites Science and Technology, Vol. 62, 1801-1809, 2002
E. LACOSTE, O. MANTAUX, C. DEL BORRELLO, M. DANIS - Simulation
numérique des procédés d'élaboration des matériaux composites par infiltration :
application au cas des plaques pour les matrices métalliques, Revue des Composites et
Matériaux Avancés, Vol. 13, n°1, p. 69-83, 2003
M. DANIS, O. MANTAUX, E. LACOSTE – Modèles physiques de formation des
microporosités lors de l’élaboration de CMM par imprégnation et approches
numériques, Revue de Métallurgie – CIT/SGM, tome 100, n° 12, p. 1193-1202,
décembre 2003
C. DEL BORRELLO, E. LACOSTE - Numerical simulation of the infiltration of a
porous medium by a pure body : application of the elaboration of metal matrix
composites, Num. Heat and Mass Transfer, Part A, Vol. 44, n°7, p. 723-741, 2003
C.ARVIEU, J.P. MANAUD, J.M. QUENISSET - Interaction between titanium and
carbon at moderate temperatures, Journal of Alloys and Compounds, 368,116-122,
2004.
C. DUDA, C. ARVIEU, J.F.FROMENTIN, J.M. QUENISSET - Microstructural
characterization of liquid route processed Ti 6242 coating of SCS-6 filaments,
Composites part A : applied science and manufacturing, A35, 511-517, 2004.
A. CANTAREL, E. LACOSTE, M. DANIS, E. ARQUIS – Metal matrix composites
production: numerical study of heat transfer between fibres and metal, Int. J. of Num.
Methods for Heat and Fluid Flow, Vol. 15, n°8, 808-826, 2004
R.A. SANGUINETTI FERREIRA, C. ARVIEU, B. GUILLAUME, J.M.
QUENISSET - Titanium matrix composites produced by continuous binder-powder
coating (CBPC) : an alternative fabrication route, Composites part A : applied science
and manufacturing, Vol. 37, Issue 10, 1831-1836, October 2006
Laboratoire Génie Mécanique
et Matériaux de Bordeaux
IUT Bordeaux1
15 Rue Naudet CS 10207
33175 Gradignan Cedex
Tél : 05 56 84 58 45
Fax : 05 56 84 58 43
@ : [email protected]
Mise en œuvre des
métaux et composites
à matrice métallique
Mise en œuvre des métaux et CMM
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Mise en œuvre des métaux et CMM
MISE EN ŒUVRE DES METAUX ET
COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE
(CMM)
devient incontournable de simuler numériquement l’histoire
thermique de la pièce afin :
1) de connaître le champ de température à proximité du cordon
de soudure ;
2) de prédire l’existence de précipités à bas points de fusion, la
conjonction de précipités et de fortes températures entraînant
la liquation et donc la fissuration.
Modélisation des transferts de masse et de chaleur à l’échelle de
la fibre dans le cas d’un métal pur
L'amplitude et l'étendue de cette liquation semblent être fortement
dépendantes de l'état métallurgique de l'alliage. En parallèle avec la
mise en œuvre d’une modélisation sur le code ABAQUS, des
investigations ont été initiées dans l’optique de minimiser la
présence de précipités.
Simulation numérique de l’élaboration de CMM par injection
d’un alliage à travers une préforme fibreuse
Étude expérimentale de l’infiltration d’une
préforme fibreuse par un alliage
Contrôle par simulation numérique des conditions
d’élaboration par voie liquide
de composites filamentaires SiC/Ti
Modélisation thermique : champ 3D de température au sein de la pièce
et histoire thermique d’un point à 5mm de l’axe du cordon
Le modèle thermique est actuellement en cours de validation, par
comparaison des résultats numériques et des mesures par
thermographie infrarouge. Une fois le modèle thermique validé et
couplé au calcul des contraintes au sein de la pièce, la prise en
compte de l’existence de précipités permettra d'évaluer leur nocivité
et de proposer des procédés de contournement.
Buse TIG
Baguette de métal d’apport
Simulation numérique du soudage
d’un superalliage base nickel
Image thermique infrarouge au cours d’un soudage TIG
Mise en œuvre des métaux et CMM
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Simulation numérique du soudage de
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Mise en œuvre des métaux et CMM
Présentation générale
superalliages base nickel
Les superalliages base Nickel sont des matériaux très utilisés dans le
domaine de l'aéronautique pour les parties les plus sollicitées
mécaniquement et thermiquement ; en particulier, ils trouvent leur
application dans les pièces des parties les plus chaudes des turbines à
gaz. En contre partie, de nombreuses limitations technologiques en
terme de mise en forme,
d'usinage et d'assemblage, sont
généralement
associées
aux
superalliages. Ainsi, l'Inconel 738
(NC16KAT), alliage utilisé dans
les turbines à gaz Turbomeca,
implique une mise en forme par
fonderie délicate et n’autorise à Exemple de pièce en Inconel 738
ce
jour
aucune
solution
industrielle d'assemblage et de
récupération par soudage pour
cause de fissuration.
Une
collaboration
entre
Turbomeca et le LGM²B a été
initiée à travers une thèse afin de
proposer
des
procédures
Micrographie en sens transverse
destinées
à
améliorer
la du bain de fusion de l’Inconel 738
soudabilité de cet alliage en
s'appuyant sur divers essais technologiques et sur la modélisation.
L'origine de la fissuration de l'Inconel 738 lors du soudage est
principalement attribuée à la présence de contraintes résiduelles et à
un phénomène dit de liquation se traduisant par une fusion localisée
(brûlure) liée à la remise en solution de précipités. Dans un premier
temps, des analyses physico-chimiques ont permis de confirmer ce
mécanisme de fissuration (Analyse Thermique Différentielle ATD). La Zone Affectée Thermiquement (ZAT) par le soudage est
donc particulièrement sensible à ce phénomène de liquation et il
L’imprégnation d’une préforme fibreuse par un métal liquide sous
pression est un des procédés d’élaboration des CMM par voie liquide. Le LGM2B travaille depuis plusieurs années sur la modélisation des phénomènes induits par ce procédé d’élaboration. Une
thèse soutenue au laboratoire en mars 2004, a permis d’aborder l’étude de l’élaboration d’un CMM à partir d’un alliage. Des approches microscopiques ont été développées pour expliquer des phénomènes se produisant à l’échelle de la fibre (phénomènes de solidification d’un alliage binaire et ségrégation autour des fibres par exemple) et des modèles à l’échelle macroscopique (échelle de l’échantillon composite) permettent de quantifier les phénomènes en vue
d’optimiser les conditions d’élaboration du composite en fonction
du cahier des charges. Un dispositif expérimental permettant de réaliser des échantillons composites par imprégnation de préformes
fibreuses par un alliage base aluminium a été réalisé au Laboratoire
afin de mettre en évidence les phénomènes de ségrégation de l’alliage lors de la mise en œuvre. Tous les travaux développés sont
phénoménologiques et centrés sur l’étude d’un procédé d’élaboration des CMM.
Dans les prochaines années, le Laboratoire va orienter ses travaux
vers la recherche de solutions de problèmes technologiques, en réponse aux demandes d’industriels qui cherchent à maîtriser des procédés d’élaboration et de mise en oeuvre de matériaux métalliques
pour des applications identifiées. Dans cette optique, une thèse sur
l’étude de la soudabilité de superalliages base nickel utilisés par des
motoristes aéronautiques a débuté en mai 2005 et un projet de développement d’un composite à matrice métallique pour optimiser des
pièces mécaniques dans le domaine automobile est à l’étude.
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Mise en œuvre des métaux et CMM
Modélisation des transferts de masse et de chaleur à
l’échelle de la fibre dans le cas d’un métal pur
Le procédé d’élaboration des CMM par injection est un problème de
mécanique des fluides couplé à un problème thermique incluant des
phénomènes de changements de phases. Nous avons développé un
modèle à l’échelle de la fibre permettant de prendre en compte ces
différents phénomènes sur une géométrie simplifiée : la préforme
fibreuse est représentée par un empilement périodique de couches
parallèles. L’espace entre les strates est constant et dépend de la
porosité ; chaque strate est représentative du renfort fibreux. Le
conduit est supposé initialement saturé d’air et le métal est injecté
sur sa face gauche parallèlement aux strates à une vitesse moyenne
et constante, et à une température constante dans le temps et
supérieure à la température de changement de phase du métal.
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Mise en œuvre des métaux et CMM
température et de concentration de carbone dans le filament et son
voisinage lors de son passage dans le bain et pendant son
refroidissement en sortie du bain.
Cette simulation numérique a permis de mettre en évidence
l’existence de deux fronts de solidification convergeant l’un vers
l’autre au cours du refroidissement : l’un à l’interface filament /
matrice, l’autre à l’extérieur de la gaine de matrice emportée par le
filament, ce qui corrobore les observations expérimentales.
Le problème consiste à étudier un écoulement diphasique mettant
en jeu deux fluides non miscibles (le métal et l’air) couplé à des
phénomènes de changement de phase (solidification et fusion de
métal). Les transferts thermiques sont décrits par l’équation de la
chaleur suivante :
ρC(∂T +U.∇T)=∇.(λ∇T)+Q
∂t
[1]
Pour l’écoulement, le modèle est un modèle 1-fluide (modèle
développé dans le logiciel Aquilon du laboratoire Trefle de
l’Université Bordeaux 1) basé sur une discrétisation, avec un
maillage fixe, de tout le domaine d’étude où les deux phases métal
et air sont donc représentées. L’interface métal/air est supposée
rester plane avec une vitesse de déplacement égale à la vitesse
d’injection du métal.
l1
Métal liquide
1/2 Fibre
2 l2
l1
Domaine d’étude
Effet de la concentration de carbone sur la solidification du métal
(solidification transitoire)
Mettant par ailleurs en évidence les paramètres opératoires les plus
influents (vitesse d’enduction, mouillabilité de la surface du
filament, hauteur du bain de titane liquide…), cette étude contribue
à l’optimisation du procédé dont les avantages économiques sont
très importants comparativement à d’autres méthodes.
Contrôle par simulation numérique des conditions
d’élaboration par voie liquide de composites
filamentaires SiC/Ti
Une nouvelle voie de réalisation des composites à matrice
métallique consiste à compresser à chaud des filaments céramique
préalablement enrobés de métal. Une technique actuellement en
développement chez Snecma Moteurs pour enrober les filaments est
l’Enduction à Grande Vitesse (EGV). Cette technique consiste à
faire défiler, à des vitesses supérieures à 1m/s, un filament de SiC
revêtu de quelques micromètres de carbone, dans un bain d’alliage
de titane liquide maintenu à 1810°C.
Lors de l’enduction, plusieurs phénomènes physicochimiques
peuvent nuire à la
qualité du produit :
forte réactivité entre le
carbone et le titane
entraînant la formation
d’une zone interfaciale
de
carbure
fragile,
déficit de mouillage du
filament induisant des
défauts de concentricité
150 μm
du
revêtement
métallique par rapport
Filament de SiC enrobé par EGV
au filament, instabilité
d’alliage de titane
capillaire conduisant à
(présence d’un défaut de concentricité lié à un
des interruptions de la
déficit de mouillabilité)
procédure d’enduction.
Afin de contrôler les conditions opératoires de cette méthode
originale d’élaboration de composites filamentaires à matrice
métallique réfractaire, le couplage entre transferts thermiques avec
changement de phase et transferts massiques a été modélisé et
simulé numériquement à l’aide d’une méthode aux volumes finis.
Il est ainsi possible de visualiser l’évolution des champs de
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Mise en œuvre des métaux et CMM
Finalement, si on tient compte des hypothèses faites sur l’interface
qui annulent les termes de tension superficielle dans l’équation de
Navier-Stokes, l’écoulement est décrit indépendamment de la
position et de la géométrie de l’interface par l’équation de
conservation [2] et par l’équation de Navier-Stokes [3] :
∇ .U = 0
[2]
ρ(∂U + U.∇U) ρg + ∇P − μ(ΔU) +
∂t
μ
K
=0
[3]
Les résultats numériques de ce modèle microscopique sont en
parfait accord avec ceux obtenus à partir des modèles
macroscopiques de la littérature ; il est ainsi possible d’envisager
d’étendre cette étude dans le cas où le fluide injecté n’est plus un
métal mais un alliage.
850
Température (°C)
Page 10
800
750
700
650
600
longueur
largeur
Champ thermique en l’absence de changement de phase
Température (°C)
Mise en œuvre des métaux et CMM
800
600
400
200
longueur
largeur
Champ thermique en présence de changement de phase
Simulation numérique de l’élaboration de CMM par
injection d’un alliage à travers une préforme fibreuse
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Mise en œuvre des métaux et CMM
numérique d’infiltration d’un alliage binaire à l’échelle de la fibre.
Vérin hydraulique
L’imprégnation d’une préforme fibreuse par un alliage métallique
s’accompagne de phénomènes qui n’existent pas quand le métal
injecté est un métal pur : phénomènes de diffusion des espèces
chimiques, rejet de soluté à l’interface liquide-solide,
phénomènes de ségrégation de l’alliage pendant l’imprégnation.
Ces phénomènes vont en particulier modifier la composition de
l’alliage liquide au cours de l’écoulement.
Manomètre
Capteur de déplacement
Boîte à eau
Barres de transmission
Nous avons développé un modèle permettant de prendre en
compte ces différents phénomènes sur la géométrie utilisée dans
le cas où le métal injecté était un métal pur : la préforme fibreuse
est représentée par un empilement périodique de couches
parallèles. Nous reprenons les hypothèses justifiées dans le cas
du métal pur sur l’écoulement du métal entre les fibres :
l'écoulement de l’alliage entre les fibres est laminaire et l’alliage
est supposé être un fluide newtonien ; l’interface métal-air reste
plane durant l’injection et l’angle de contact avec les fibres est de
90°.
[1]
ρC(∂T +U.∇T)=∇.(λ∇T)+Q
[2]
∂t
μ
∂
U
ρ( + U.∇U) ρg + ∇P − μ(ΔU) + = 0
∂t
K
[3]
A ces équations, sont ajoutées une équation pour traduire le rejet
de soluté à l’interface liquide-solide [4] et une équation de
diffusion des espèces dans la phase liquide qui tient compte des
phénomènes de convection [5].
Creuset
Four coquille
Piston fixe
Dispositif expérimental d’imprégnation de
préformes fibreuses par un alliage liquide
en Cu (% masse)
∇ .U = 0
Fixation moule-creuset
Concentration
Le modèle aux volumes finis est basé sur la résolution d’une
équation de la conservation de la masse [1], couplée à l’équation
de transferts de chaleur avec prise en compte des phénomènes
de changement de phase [2] et à l’équation de Navier-Stockes
pour décrire l’écoulement de l’alliage [3].
Moule
Ensemble mobile
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Mise en œuvre des métaux et CMM
16
Cu
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
Position (mm)
20
Concentration en Cu à la fin de l’imprégnation :
la face d’injection est à gauche, le front d’imprégnation à droite
Mise en œuvre des métaux et CMM
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Étude expérimentale de l’infiltration
d’une préforme fibreuse par un alliage
A partir de ce dispositif, nous avons réalisé des échantillons
composites à partir d’un alliage Al/Cu. Les observations faites au
MEB et à la microsonde ont permis de faire une étude quantitative
de l’évolution de l’enrichissement en cuivre de l’alliage. L’analyse
des résultats met clairement en évidence la présence de trois zones
distinctes, classées en partant de la face d’injection du métal :
• une zone à concentration nominale en Cu ;
• une zone où la concentration en Cu est légèrement plus faible
que la concentration nominale ;
• une zone, située à proximité du front d’imprégnation, avec
une forte augmentation de la concentration en Cu.
∂Cl
+ U.∇Cl = ∇.(D∇Cl ) + q
∂t
750
Position du début de la solidification
700
650
600
550
500
t = 0,5 ms
t = 2,5 ms
450
0
20
40
60
80
100
120
Position (μm)
Injection de l’alliage entre les fibres : évolution du champ thermique
0.07
t = 2,5 ms
0.06
t = 2 ms
t = 1,5 ms
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
Ces résultats expérimentaux valident qualitativement le modèle
[5]
D’un point de vue qualitatif, les résultats numériques sont en
accord avec ceux obtenus expérimentalement lors d’expériences
d’imprégnation de préformes fibreuses par un alliage binaire Al/
Cu.
Température (°C)
Le dispositif est constitué d'un vérin alimenté par un groupe
hydraulique et asservi en vitesse, qui permet de déplacer un
ensemble mobile constitué du moule et du creuset solidaires l’un de
l’autre. La préforme fibreuse est insérée dans le moule et le métal en
fusion est contenu dans le creuset qui sert également de chemise au
piston fixé au bâti. Lorsque l’ensemble mobile descend, sous l'action
du vérin, le piston va pousser le métal et ainsi permettre d'injecter,
sous pression, l'alliage dans la préforme. Le creuset est chauffé par
un four électrique amovible formé de deux demi-coquilles.
L’imprégnation se fait verticalement du bas vers le haut. La
préforme n’est ainsi en contact avec le métal que lors de
l’imprégnation.
[4]
Cs = k Cl
Taux de concentration en Cu
Pour mettre en évidence et quantifier l’influence des différents
paramètres qui entrent en jeu lors de l’élaboration, nous avons
conçu et réalisé au LGM²B un montage qui permet d'imprégner
dans une direction préférentielle une préforme par un alliage liquide
en faisant varier la vitesse d'imprégnation et les températures
initiales de la préforme et de l'alliage. Ce dispositif expérimental
nous permet de fabriquer des barres de matériau composite qui sont
ensuite découpées en échantillons, observées et analysées au
microscope ou à la microsonde.
Mise en œuvre des métaux et CMM
20
40
60
80
100
120
Position (μm)
Évolution de la concentration moyenne de l’alliage (solide et liquide)
au cours de l’injection