Composites à matrice de titane renforcés de charge biogénique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8700 (2022) Citer cet article

1647 Accès

2 citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

De nouveaux composites à matrice métallique (MMC) ont été fabriqués avec une matrice Ti6Al4V et une charge céramique biogénique sous forme de terre de diatomées (DE). Des mélanges de poudres DE et Ti6Al4V ont été consolidés par la méthode de frittage par plasma étincelant (SPS). La microstructure des échantillons consolidés a été étudiée par des techniques microscopiques et DRX. Les caractéristiques thermomécaniques ont été obtenues à l'aide de techniques sur petits échantillons. Les résultats obtenus indiquent que les composites fabriqués présentent des propriétés mécaniques et thermiques exceptionnelles dues aux effets synergiques entre la charge et la matrice (au-delà de la règle des mélanges).

Les composites à matrice métallique (MMC) constituent une nouvelle classe de matériaux d'ingénierie aux propriétés mécaniques et fonctionnelles réglables1. L’une des matrices de MMC les plus fréquemment utilisées est le titane et les alliages de titane, tels que le Ti6Al4V2 biphasé.

Les renforts largement utilisés des composites à base d'alliages de Ti rapportés dans la littérature sont : TiB, TiC, TiB2, TiN, B4C, ZrC, SiC, Al2O3 et nanotubes de carbone3,4,5,6,7. En raison de la réactivité chimique élevée du Ti au cours du processus conventionnel de métallurgie des lingots, mais également pour réduire le coût et la perte de matière dans le processus de fabrication, la méthode couramment utilisée pour fabriquer du TMC avec une charge discontinue (particules ou fibres courtes) est la métallurgie des poudres (PM )8,9,10. Les paramètres clés qui garantissent de bonnes performances du composite sont la dispersion homogène du renfort et une forte adhérence à la matrice.

En fonction des réactions de renforcement et de matrice, les méthodes de fabrication ex-situ et in-situ peuvent être distinguées11. Les composites contenant des céramiques thermodynamiquement stables, telles que SiC, TiC, TiB ou ZrC, sont traités ex situ. Cette voie ne modifie ni la taille des particules, ni leur morphologie et permet d'obtenir des propriétés mécaniques supérieures (résistance à l'usure et coefficient de frottement en conditions de glissement à sec, etc.). La réactivité de la matrice de titane avec le bore, le carbone et l'azote permet un traitement in situ. La meilleure liaison interfaciale obtenue par les méthodes in situ se traduit par des performances tribologiques améliorées de ces composites.

En outre, il existe deux approches possibles de MMC dans les PM, connues sous le nom de méthode élémentaire mélangée (BE) et de méthode de poudre pré-alliée (PA)8,12. Les éléments obtenus via la méthode BE présentent des propriétés mécaniques inférieures, alors que les propriétés mécaniques des MMC dans les PM fabriqués par la méthode PA sont comparables à celles produites avec des alliages de Ti8.

L'alliage corroyé Ti6Al4V présente une résistance à la traction comprise entre 850 et 1 200 MPa, avec une ductilité comprise entre 3 et 26 %8,13,14,15,16. La résistance à la traction du PM Ti6Al4V dépend de la porosité et de la microstructure.

L'élément fritté par BE confère une résistance comprise entre 750 et 900 MPa8,17,18,19,20 avec un allongement de 3 à 13 %8,17,18,19,20. Le PA Ti6Al4V présente une large gamme de propriétés de traction – 700 à 1 070 MPa avec 7,5 à 21 % de ductilité8,17,21,22,23,24. La limite de résistance supérieure est obtenue pour les éléments PA avec une densité de 100 %25.

On sait également que le Ti réagit avec le Si et, en raison de l'effet bénéfique de l'ajout de Si sur la résistance à l'oxydation et au fluage des alliages Ti-X-Si, les systèmes Ti-Si continuent de susciter un intérêt technologique26,27. Le diagramme de phases d'équilibre indique cinq phases siliciures, quatre entièrement stoechiométriques (TiSi2, TiSi, Ti5Si4 et Ti3Si) et une non stœchiométrique (Ti5Si3). Les siliciures métalliques, parmi les composés intermétalliques, sont généralement considérés comme conférant de bonnes propriétés mécaniques/physiques28.

La source potentielle de Si peut être la silice (SiO2) qui se présente sous différents types, à savoir la silice fumée, la silice précipitée provenant de silicates alcalins, d'argiles, de verre ainsi que la silice provenant de la dissolution de minéraux29,30,31,32,33,34. ,35,36.