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Composite en cermet
Pour comprendre la complexité d'un composite céramique-métal, il est important non seulement de connaître les propriétés les plus importantes du matériau, mais aussi d'avoir une compréhension de base des différents matériaux. Contrairement aux métaux, la céramique remplace le terme résistance du matériau par le terme probabilité de rupture.
Plus le volume de la pièce en céramique est important sous charge de traction, plus la probabilité de rupture est élevée. Ceci peut être justifié par le fait que la probabilité de défauts critiques du matériau augmente avec la taille du composant. Outre la règle selon laquelle les composants céramiques doivent être soumis à la compression et non à la tension, il est important que les coefficients de dilatation thermique des matériaux céramiques diffèrent sensiblement de ceux des métaux. Il faut en tenir compte lors de la conception des systèmes composites, tant en ce qui concerne la dilatation thermique à la température de fonctionnement maximale que pour le processus d'assemblage. Un exemple devrait montrer quelles différences décisives peuvent survenir lors d'une augmentation de température.
Plus le volume de la pièce en céramique est important sous charge de traction, plus la probabilité de rupture est élevée. Ceci peut être justifié par le fait que la probabilité de défauts critiques du matériau augmente avec la taille du composant. Outre la règle selon laquelle les composants céramiques doivent être soumis à la compression et non à la tension, il est important que les coefficients de dilatation thermique des matériaux céramiques diffèrent sensiblement de ceux des métaux. Il faut en tenir compte lors de la conception des systèmes composites, tant en ce qui concerne la dilatation thermique à la température de fonctionnement maximale que pour le processus d'assemblage. Un exemple devrait montrer quelles différences décisives peuvent survenir lors d'une augmentation de température.
Composite en cermet (ajustement)
Un manchon en céramique Al2O3 doit être relié à un arbre métallique au moyen d'un ajustement. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) de la céramique Al2O3 (99,7%) avec α=7,3*10-6 /K diffère significativement du CTE de l'acier inoxydable 1.4571 avec α=16,5*10-6 /K. Avec un diamètre de D=50mm de l'arbre en acier et une augmentation de température de 100K, une expansion de 50mm*(16.5*10-6/K)*100K = 0.083mm résulte.
Pour le manchon Al2O3 il y a une expansion de 50mm*(7.3*10-6/K)*100K = 0.037mm. Si la connexion est conçue de manière étanche, l'expansion plus importante de l'arbre métallique provoquerait la rupture du manchon céramique. Ce modèle n'est donc pas adapté à la céramique.
Un exemple d'un composite céramique-métal approprié est la connexion à sertir entre un noyau céramique et un manchon métallique. Pour pousser le manchon sur la tige céramique surdimensionnée, le métal doit être chauffé. Lorsqu'il refroidit, un raccord à sertir est formé en se rétractant sur la céramique. Comme les matériaux céramiques peuvent très bien absorber les forces de compression, ce principe de construction convient en principe à la fabrication d'un composite céramique-métal.
Pour le manchon Al2O3 il y a une expansion de 50mm*(7.3*10-6/K)*100K = 0.037mm. Si la connexion est conçue de manière étanche, l'expansion plus importante de l'arbre métallique provoquerait la rupture du manchon céramique. Ce modèle n'est donc pas adapté à la céramique.
Un exemple d'un composite céramique-métal approprié est la connexion à sertir entre un noyau céramique et un manchon métallique. Pour pousser le manchon sur la tige céramique surdimensionnée, le métal doit être chauffé. Lorsqu'il refroidit, un raccord à sertir est formé en se rétractant sur la céramique. Comme les matériaux céramiques peuvent très bien absorber les forces de compression, ce principe de construction convient en principe à la fabrication d'un composite céramique-métal.
Composite en cermet (vissage)
La connexion non positive la plus courante est la connexion vissée. Ceci peut également être réalisé avec des matériaux céramiques. A température ambiante, les supports de filetage extérieur métalliques peuvent être facilement vissés dans un filetage intérieur en céramique.
Les filetages extérieurs en céramique représentent cependant une longue entaille ou fissure dans la céramique. Par conséquent, si possible, le rayon dans la base de l'encoche doit être aussi grand que possible afin de réduire le risque d'un point de rupture prédéterminé. Il est plus judicieux et généralement plus avantageux si la construction peut être adaptée de telle sorte que l'on puisse utiliser des vis métalliques standard ou que l'on puisse coller ou souder des douilles filetées métalliques dans la céramique.
Les filetages extérieurs en céramique représentent cependant une longue entaille ou fissure dans la céramique. Par conséquent, si possible, le rayon dans la base de l'encoche doit être aussi grand que possible afin de réduire le risque d'un point de rupture prédéterminé. Il est plus judicieux et généralement plus avantageux si la construction peut être adaptée de telle sorte que l'on puisse utiliser des vis métalliques standard ou que l'on puisse coller ou souder des douilles filetées métalliques dans la céramique.
Composite en cermet (collage)
Les adhésifs organiques peuvent être divisés en deux catégories. Dans le cas d'adhésifs réagissant chimiquement, la prise est obtenue par polymérisation, polyaddition ou polycondensation des types de réaction. Selon le type de réaction, on distingue également le durcissement à froid et à chaud, ainsi que les systèmes à un ou deux composants. Avec les adhésifs à prise physique, le solvant s'évapore et les matériaux de base durcissent.
Les adhésifs à base de résine époxy se sont avérés très efficaces pour le collage de pièces composites céramique-métal. Ils se caractérisent par les propriétés suivantes :
Les joints adhésifs ne doivent être réalisés que sous des charges de cisaillement, de traction ou de compression et les charges de flexion doivent être évitées. Il est important de bien nettoyer et d'activer les surfaces adhésives chimiquement ou mécaniquement. Toutefois, il convient de noter que les adhésifs à base d'adhésifs organiques sont soumis à un processus de vieillissement et ne doivent généralement pas être chauffés à plus de 150°C en permanence.
Les composants composites métal-céramique collés ne sont pas adaptés à une utilisation dans la technologie du vide en raison du dégazage permanent.
Les adhésifs à base de résine époxy se sont avérés très efficaces pour le collage de pièces composites céramique-métal. Ils se caractérisent par les propriétés suivantes :
- bonnes propriétés mécaniques
- bonne résistance chimique
- faible retrait pendant le durcissement
- Convient également pour des interstices de collage plus importants grâce à l'utilisation de mastics
- Raccordement simple de différents matériaux
Les joints adhésifs ne doivent être réalisés que sous des charges de cisaillement, de traction ou de compression et les charges de flexion doivent être évitées. Il est important de bien nettoyer et d'activer les surfaces adhésives chimiquement ou mécaniquement. Toutefois, il convient de noter que les adhésifs à base d'adhésifs organiques sont soumis à un processus de vieillissement et ne doivent généralement pas être chauffés à plus de 150°C en permanence.
Les composants composites métal-céramique collés ne sont pas adaptés à une utilisation dans la technologie du vide en raison du dégazage permanent.
Composite métal-céramique et céramique-céramique (soudure avec des soudures de verre)
Les soudures en verre peuvent être utilisées pour le raccordement étanche au gaz de composants céramiques et aussi, par exemple, de composants composites platine-céramique. Ce procédé d'assemblage se caractérise par une bonne résistance chimique et des températures de fonctionnement allant jusqu'à environ 1000°C, en fonction de la soudure du verre. Aucune atmosphère gazeuse protectrice ni métallisation de la céramique n'est nécessaire pour le collage avec de la soudure de verre.
Composite en cermet (soudure avec des soudures métalliques)
Le procédé d'assemblage standard chez Alumina Systems pour la fabrication de composants composites métal-céramique est le brasage des céramiques sur les métaux. Lors du brasage, les atomes se diffusent de la soudure dans la grille du matériau et lors du brasage des métaux, les atomes du matériau se diffusent également dans la structure de la soudure. Une zone de diffusion plus ou moins prononcée se forme le long de la surface mouillante. Contrairement au soudage, le matériau reste à l'état solide.
Le nombre de partenaires d'assemblage possibles entre la céramique et le métal est fortement limité par les différents coefficients de dilatation thermique des matériaux. Plus la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique, le métal et la soudure est grande, plus les contraintes du composé sont élevées lorsque le joint soudé se refroidit.
Il existe deux méthodes différentes pour souder les céramiques :
Le nombre de partenaires d'assemblage possibles entre la céramique et le métal est fortement limité par les différents coefficients de dilatation thermique des matériaux. Plus la différence de coefficient de dilatation thermique entre la céramique, le métal et la soudure est grande, plus les contraintes du composé sont élevées lorsque le joint soudé se refroidit.
Il existe deux méthodes différentes pour souder les céramiques :
- Soudage passif de céramiques
- Soudage actif de céramiques
1. Soudage passif de céramiques
Afin d'assurer un comportement de mouillage suffisant de la soudure sur la céramique, il est nécessaire de métalliser au préalable la surface de la céramique. Pour cela, une pâte de MoMn (molybdène, manganèse) ou de WMn (tungstène, manganèse) est appliquée par sérigraphie et cuite à environ 1400°C sous gaz de formation (5% hydrogène, 95% azote).
Cette couche a deux fonctions. Le verre contenant du Mn se combine avec la céramique Al2O3. Les particules métalliques Mo dans le verre forment la liaison avec le métal. Après la fusion, la couche de métallisation est électrodéposée avec du nickel. Le Ni a également plusieurs fonctions. Il protège la métallisation contre la corrosion et permet une bonne mouillabilité par la soudure métallique.
Selon le partenaire métallique, le brasage passif des céramiques se fait sous atmosphère réductrice ou sous vide. Les soudures passives les plus courantes sont basées sur l'eutectique argent-cuivre.
Cette couche a deux fonctions. Le verre contenant du Mn se combine avec la céramique Al2O3. Les particules métalliques Mo dans le verre forment la liaison avec le métal. Après la fusion, la couche de métallisation est électrodéposée avec du nickel. Le Ni a également plusieurs fonctions. Il protège la métallisation contre la corrosion et permet une bonne mouillabilité par la soudure métallique.
Selon le partenaire métallique, le brasage passif des céramiques se fait sous atmosphère réductrice ou sous vide. Les soudures passives les plus courantes sont basées sur l'eutectique argent-cuivre.
2. Soudage actif de céramiques
Une deuxième possibilité pour le brasage des céramiques est l'utilisation de soudures dites actives. Ceux-ci contiennent par exemple du titane, du zirconium ou de l'hafnium comme composants réactifs. Les soudures actives se combinent avec la céramique même sans métallisation. Cependant, contrairement aux soudures passives, les soudures actives coulent à peine sur la surface de la céramique. Cela signifie qu'aucun cordon de soudure n'est formé, ce qui est favorable à la résistance d'adhérence. Même si le brasage sans métallisation semble plus favorable, un four sous vide à haute température ou à gaz inerte est nécessaire pour le brasage actif.
Afin de garantir un intervalle de brasage optimal pendant le brasage, le métal et la céramique ne doivent être séparés que légèrement par dilatation thermique pendant le brasage. Par conséquent, les alliages fer-nickel tels que Ni42 (1.3917) ou Kovar (NiCo2918=1.3981) sont principalement utilisés pour le brasage avec Al2O3. Ici, la différence de coefficient de dilatation thermique à Al2O3 à température ambiante est relativement faible. Seules de faibles tensions composées sont ainsi générées. Ainsi, des résistances reproductibles élevées du composite métal-céramique de plus de 200 MPa sont obtenues.
Ces alliages fer-nickel peuvent très bien être soudés avec des aciers inoxydables dans d'autres procédés. Cela ouvre un grand nombre de domaines d'application pour les composants composites céramique-métal.
Afin de garantir un intervalle de brasage optimal pendant le brasage, le métal et la céramique ne doivent être séparés que légèrement par dilatation thermique pendant le brasage. Par conséquent, les alliages fer-nickel tels que Ni42 (1.3917) ou Kovar (NiCo2918=1.3981) sont principalement utilisés pour le brasage avec Al2O3. Ici, la différence de coefficient de dilatation thermique à Al2O3 à température ambiante est relativement faible. Seules de faibles tensions composées sont ainsi générées. Ainsi, des résistances reproductibles élevées du composite métal-céramique de plus de 200 MPa sont obtenues.
Ces alliages fer-nickel peuvent très bien être soudés avec des aciers inoxydables dans d'autres procédés. Cela ouvre un grand nombre de domaines d'application pour les composants composites céramique-métal.