Interphase bicouche dans les composites fibreux SiC/Ti

L’étude des interphases TiSi2, Ti5Si3, Y2O3 nous a permis de montrer que la phase la plus stable avec le renfort est le siliciure de titane TiSi2 et celle qui réagit le moins vite avec le titane est Ti5Si3 (Tableau I-3).

Tableau I-3 : Durée de vie, en minutes, de divers revêtements à différentes températures Température (°C) TiSi2 Ti5Si3 Y2O3 C 900 765 2343 1500 519 1000 156 240 167 137 1100 27 29 37 27

Il apparaît donc clairement que l’interposition d’une monocouche entre le renfort et la matrice n’est pas suffisante pour aboutir à un équilibre thermodynamique. C’est pour cette raison que nous avons choisi d’étudier la séquence SiC/TiSi2/Ti5Si3/Ti. Dans un tel composite, nous devrions stabiliser le renfort grâce à la présence de TiSi2 et ralentir la diffusion du titane par le biais de l’interphase Ti5Si3. Les interphases TiSi2 et Ti5Si3 sont d’égales épaisseurs. Elles ont été choisies pour éviter toute microfissuration des revêtements (1,5µm), sur les filaments. La faisabilité des siliciures de titane TiSi2 et Ti5Si3 en tant que doubles barrières de diffusion au sein des composites SiC/Ti a été étudiée. Des composites se différenciant par la composition chimique de la matrice ont été élaborés (Ti pur et Ti-6Al-4V, % massiques). Les paramètres cinétiques calculés ont permis d’établir une hiérarchie entre les matrices. Cette étude physico-chimique de la séquence SiC/TiSi2/Ti5Si3/alliage base titane a également permis de comparer deux revêtements de surface, le carbone CVD et le bicouche TiSi2/Ti5Si3 obtenu par pulvérisation cathodique ; ils ont des compatibilités chimiques comparables, tout en présentant des avantages quant à la résistance à l’oxydation pour les siliciures. Néanmoins la réaction entre le titane et le filaments SCS6 conduisant à la formation de TiC et Ti5Si3 est plus lente que dans le cas du système SiC/TiSi2/Ti5Si3/Ti, la diffusion du carbone à travers le carbure de titane (SCS6/Ti) devant être plus lente qu’à travers les siliciures de titane (SiC/TiSi2/Ti5Si3/Ti). Ces revêtements de siliciures de titane sont perfectibles par l’interposition de Si sur le filament afin de se placer dans le cas simple du binaire Si-Ti (SiC/Si/TiSi2/Ti5Si3/Ti) et ainsi les problèmes de solubilité du carbone dans les siliciures ne se

poseraient pas. La technique rapide de dépôt par CVD semble être de ce fait mieux adaptée pour réaliser cette séquence de revêtement.

I.4 Conclusions

L’étude du renforcement du titane et de ses alliages, qui présentent une résistance mécanique spécifique élevée ainsi qu’une bonne résistance à la corrosion, date de plus de 40 ans. L’essentiel de ces travaux porte sur les filaments de (1) bore, (2) de carbure de silicium moins réactif avec le titane, (3) SiC revêtu de carbone, de silicium ou de siliciures de titane [5, 24-26]. Ces investigations ont montré les limites thermodynamiques et thermomécaniques du couple SiC/Ti, alliées au coût prohibitif de leur obtention. Mais est-il aujourd’hui possible de trouver de meilleures solutions au renforcement des matrices base titane ?

Ces travaux ont été poursuivis au Laboratoire de Chimie du Solide, puis à l'Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB) de la façon suivante:

(1) En ce qui concerne la barrière de siliciures de titane, compte tenu de l'instabilité partielle et de la lenteur des dépôts réalisés par PVD, les dépôts ont été effectués par CVD en continu. Ce travail a donné suite aux thèses de K. DEBRAY [29] et JF. FROMENTIN [30] soutenues en 1995 et 1997. Le dépôt CVD plus dense a amélioré la stabilité thermodynamique, par contre la tenue en température élevée du dépôt (1000-1100°C) a conduit à une multifissuration du revêtement et à un affaiblissement mécanique du renfort. Associé à un coût prohibitif, ces revêtements ont été abandonnés par le partenaire industriel. Ces études ont cependant été utiles car elles ont permis (1) de mettre en avant les couplages thermomécanique et thermochimique dans ces systèmes, (2) de mettre au point le dépôt CVD de céramiques sur des filaments en continu.

(2) L'instabilité SIC/Ti n'ayant été que partiellement traité, l'autre solution consistait à trouver un renfort stable au sein de la matrice de titane. Ainsi en 1998, S. Gorsse [31] a montré qu’un certain nombre de composés (TiN, TiO2, Ti5Si3, TiC), particulièrement le borure de titane TiB, étaient intéressants pour renforcer le titane. Cette identification était basée sur des critères thermodynamiques (meilleure stabilité chimique), thermomécaniques (minimum de stress résiduel) et mécaniques (meilleure rigidité). Le TiB est apparu comme étant le candidat idéal pour le renforcement du titane car TiB possède (1) une rigidité spécifique élevé, (2) un coefficient de dilatation thermique proche de celui de Ti et (3) une structure cristalline lui conférant une morphologie aciculaire améliorant le renforcement par transfert de charge. En 2000, ce travail a été financé par le CEE pour

mettre au point avec des partenaires industriels un prototype pour la réalisation d'une pièce de sécurité pour un aéronef (5^ème Programme Cadre de Recherche Technologique PCRDT-Growth). Ce programme a permis la réalisation de composites Ti-6Al-4V/TiB par un procédé de fonderie en cire perdue. Le bore est ajouté à la fusion, il se dissout dans la matrice, puis à la solidification précipite sous forme de TiB aux joints de grains β du titane. La précipitation du TiB a deux effets : (1) le renforcement sous contraintes de résiduelles importantes (ETiB = 550GPa, αTiB = 9.10^-6K^-1), (2) le TiB bloque la croissance granulaire à la solidification et affine donc la microstructure de la pièce solidifiée, ceci conduit à améliorer la limite d'élasticité du matériau ainsi que son allongement à la rupture. Ce matériau, en comparaison avec les composites SiC/Ti, voit son coût diminuer d'un facteur allant de 50 à 100 et est totalement recyclable puisqu'une pièce refondue retrouve à la solidification sa microstructure d'origine. Ce travail a été développé à l'Université Bordeaux I, il est détaillé dans la thèse de F. Dartigues soutenue en 2004 [32].

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES