Conception d’une barrière de diffusion métallique

5.2.2.1 Méthode...147

5.2.2.2 Préparation des échantillons...148

5.2.3 Résultats et discussion...149

5.2.3.1 Etude du système W/Ti...149

5.2.3.2 Etude du système C_A/Cu/W...150

5.2.3.3 Etude du système CA/B/Cu/W/Ti...151

5.2.3.4 Système C_A/B/Cu/W/Ti...154

5.2.4 Conclusion partielle...156

5.3 Etude de l’interaction Ti/C à température modérée 157

5.3.1 Etude expérimentale...157

5.3.1.1 Préparation des échantillons...157

5.3.1.2 Caractérisation des échantillons...158

5.3.2 Résultats et discussion...160

5.3.2.1 Détermination des paramètres de diffusion...161

5.3.2.2 Mécanisme de formation de TiC...165

5.3.3 Conclusion partielle et perspectives...168

Chapitre 5

Gestion de la zone interfaciale fibre/matrice

L’objectif de ce chapitre est d’étudier les interactions entre le renfort et la matrice. Les conditions d’utilisation du matériau n’étant pas très sévères, à 400°C pendant de longues durées ou à 700°C pendant des durées brèves, nous ne nous intéresserons qu’à l’influence de la technique d’élaboration sur l’apparition d’une zone réactionnelle, le chapitre précédent ayant permis de déterminer les paramètres de consolidation de la matrice de titane.

Grâce à la métallurgie des poudres et à un procédé d’élaboration associant simultanément la température et la pression, il est possible de densifier et de consolider de la poudre de titane à des températures beaucoup plus basses que celles habituellement utilisées pour l’élaboration de matériau composite à matrice de titane par la voie solide (voir le premier chapitre). Cependant, ces températures sont-elles suffisamment basses pour éviter les interactions entre le renfort (les fibres de carbone) et la matrice (le titane) qui ne sont pas en équilibre thermodynamique ? C’est ce que nous allons vérifier tout au long de ce chapitre avant de choisir définitivement les paramètres d’élaboration du matériau composite.

5.1 Estimation des interactions titane/carbone dans le

matériau composite lors de son élaboration

Dans un premier temps, nous allons vérifier les interactions fibres/matrices (F/M) au sein du matériau composite élaboré pour les températures et temps de maintien déterminés au chapitre précédent. Pour cela, nous avons réalisé et densifié, par compression uniaxiale à chaud sous vide secondaire à 600, 650 et 700°C pendant 30 minutes ou 1 heure et sous une pression

Chapitre 5 Gestion de la zone interfaciale fibre/matrice

144

constante de 200 MPa, un mélange de poudre de titane et de fibres de carbone coupées (longueur ≈ 1 mm).

Ces échantillons, de la forme d’une pastille de 12 mm de diamètre, ont ensuite été tronçonnés suivant un diamètre. Les sections ont été polies puis attaquées dans un mélange 50% eau/50% HF en volume (pour dissoudre le titane et révéler le carbure de titane, produit de la réaction entre le carbone et le titane) et enfin observées au microscope électronique à balayage (figure 5.1).

FIG. 5.1 - Observations au MEB du carbure de titane formé à l’interface fibre/matrice aux cours de l’élaboration, sous 200 MPa, du matériau composite à :

a- 600°C pendant 30 minutes b- 600°C pendant 1 heure c- 650°C pendant 30 minutes d- 650°C pendant 1 heure e- 700°C pendant 30 minutes f- 700°C pendant 1 heure

2 µm 2 µm 2 µm 2 µm 2 µm 2 µm a b c e d f

Chapitre 5 Gestion de la zone interfaciale fibre/matrice

Ces photographies mettent en évidence plusieurs aspects intéressants :

•••• les zones d’interactions F/M n’augmentent pas de manière significative, quand la durée de

maintien en température passent de 30 minutes à 1 heure,

•••• au cours des maintiens d’une demi-heure et d’une heure à 600 et 650°C, il apparaît à la

surface des fibres des cristallites de TiC,

•••• une couche continue de TiC n’apparaît qu’à partir de 700°C,

•••• les zones d’interactions augmentent avec la température de maintien,

•••• dans tous les cas, l’épaisseur de la zone réactionnelle reste inférieure à 500 nm.

Ces remarques conduisent à conclure qu’aux températures et durées de maintien nécessaires pour élaborer les CMT faisant l’objet de notre étude, le couple F/M n’est pas exempt d’interaction, se traduisant par l’apparition de cristallites de carbure de titane après ne serait-ce qu’une demi-heure de maintien à 600 et 650°C et d’une couche continue de carbure à la suite d’une demi heure de maintien à 700°C. Cependant, ces interactions sont très limitées par rapport à celles observées notamment lors de l’élaboration du matériau composite à matrice de titane renforcée par des fibres de carbone par la voie liquide [1]. Nous avons donc, d’ores et déjà, la confirmation que la baisse des températures d’élaboration permise par la discrétisation de la matrice sous forme de poudre et l’action simultanée des température et pression, permettent de limiter fortement les interactions entre le renfort et la matrice. Néanmoins, la formation du carbure de titane se fait au détriment des fibres qui s’en trouvent dégradées, voyant ainsi diminuer leurs caractéristiques mécaniques, ce qui engendre une baisse de performances des matériaux composites dont le renfort a été affaibli. Il est donc très important de contrôler ces interactions F/M et de réduire encore l’épaisseur de la zone interfaciale fragile. Il est en tout cas essentiel que l’épaisseur de la couche de TiC, dont la déformation à la rupture est inférieure à 0,7 %, reste inférieure à quelques centièmes du diamètre de la fibre pour éviter des effets d’entaille rédhibitoires pour le renfort du composite. De plus, nous ne pouvons rien attendre de positif sur le plan mécanique de la présence au voisinage de la zone interfaciale F/M, de petites cristallites de phase extrêmement fragile.

5.2 Interposition d’une protection à l’interface F/M

Deux moyens principaux existent pour diminuer les interactions entre renfort et matrice. Abaisser les températures et durées d’élaboration, ce qui a été réalisé au chapitre précèdent ou

Chapitre 5 Gestion de la zone interfaciale fibre/matrice

146

protéger la fibre par l’intermédiaire d’un dépôt qui fera office de barrière de diffusion. C’est cette deuxième voie que nous allons maintenant suivre pour tenter de réduire encore l’importance de la zone interfaciale fragile.

Cependant, pour que les efforts et les coûts supplémentaires induits soient acceptables, il faut que l’efficacité de la barrière de diffusion soit indiscutable. Si c’était le cas, il serait peut-être alors possible d’augmenter les températures d’élaboration du matériau afin d’améliorer les caractéristiques de la matrice.

5.2.1 Conception d’une barrière de diffusion métallique

Avant de choisir la composition du dépôt qui pourrait être appliqué sur les fibres afin d’obtenir une barrière de diffusion, il est nécessaire de réaliser une analyse fonctionnelle de cette protection :

•••• le diamètre des fibres de carbone utilisées (10 µm) n’autorise pas la formation d’une zone

fragile de plus de 1 µm,

•••• la formation ou le dépôt d’une phase fragile sur les fibres doivent par conséquent être

évités,

•••• la phase en contact avec les fibres ne doit pas former de composé ou de solution solide

avec le carbone afin de respecter l’intégrité du renfort,

•••• la phase en contact avec le titane peut éventuellement interagir avec la matrice pourvu que

la diffusion du titane vers les fibres soit suffisamment ralentie et que les performances de la matrice soient maintenues au voisinage de la zone interfaciale F/M,

•••• la présence d’éléments augmentant la ductilité de la matrice au voisinage de l’interface

fibre/matrice est capable d’augmenter le phénomène de répartition de la charge entre les morceaux de fibres après la microfissuration du renfort. En effet, une plastification aisée de la matrice proche des fibres peut augmenter la longueur critique de fibre nécessaire au transfert de charge et « émousser les fonds de fissure ». Ces deux phénomènes entraînent une diminution des concentrations de contraintes et un ralentissement ou un arrêt de la fissuration de l’interphase ou du renfort [2].

Chapitre 5 Gestion de la zone interfaciale fibre/matrice

Néanmoins, la taille d’une telle zone de protection doit être limitée pour préserver les propriétés mécaniques de la matrice.

Ces exigences peuvent orienter la conception de la zone interfaciale vers l’interposition d’une barrière « éphémère », composée de couches métalliques, dont la présence protégerait le renfort et qui disparaîtrait lors de l’élaboration du matériau composite sans former de phases fragiles tout en augmentant localement la ductilité de la matrice.

La grande inertie chimique des deux couples C/Cu et Cu/W, les propriétés bétagènes du cuivre et du tungstène susceptibles d’augmenter la ductilité du titane, la compatibilité de leur point de fusion avec le procédé d’élaboration et la faible diffusivité du titane dans le tungstène par rapport à celle du tungstène dans le titane nous ont conduit à proposer, comme barrière de diffusion, la séquence de phases suivante : C/Cu/W/Ti [3][4].

Cependant, la cohabitation des quatre éléments les uns à côté des autres est susceptible de modifier leur activité chimique respective et d’empêcher les effets désirés : une légère dissolution du tungstène dans le titane et la formation d’une très faible quantité de carbure de titane. Il est donc nécessaire de vérifier la stabilité chimique d’une telle séquence susceptible d’être utilisée en tant que barrière de diffusion.