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Matériaux hautes performances, fabrication et assemblages complexes : une expertise unique au service des industriels

Matériaux hautes performances et assemblages

Publié le 25 octobre 2016

​Depuis le milieu des années 90, le CEA développe des compétences dans le domaine de la métallurgie, autour de la mise en œuvre de procédés particuliers de fabrication et d’assemblage de composants. Cette activité n’est pas orientée vers une filière donnée mais adresse tous types d’industries. Deux procédés sont plus particulièrement développés : la compression isostatique à chaud (CIC) et le brasage. Ils sont mis en œuvre depuis l’échelle de l’expérience en laboratoire jusqu’à la préindustrialisation (maquettes, prototypes). Les développements sont adossés à des équipements d’élaboration mais aussi à des moyens d’investigation microstructurale, un parc de machines d’essais mécaniques et des moyens de simulation des procédés. La qualification des procédés passe par l’étude des relations procédé-microstructure-propriétés qui est un élément clé des compétences des équipes concernées.


La compression isostatique à chaud est un procédé de traitement de pièces à haute température et sous forte pression de gaz (de 500 à 1300°C, voire au-delà selon les matériaux et jusqu’à 1500bar ou plus). Ce traitement permet l’élimination des cavités de tous types, ce qui se traduit par une augmentation des propriétés mécaniques dans des pièces qui peuvent atteindre des grandes tailles. Ainsi, il est très utilisé industriellement pour le post traitement de pièces de fonderie et de composants issus de la métallurgie des poudres (produits frittés). Au Liten, il est utilisé pour la fabrication de matériaux et composants par soudage diffusion (soudage à l’état solide) et compaction de poudre. On utilise une enveloppe métallique étanche: lors du cycle de CIC ce conteneur transmet la pression aux matériaux qui, sous l’effet de la température, subissent des microdéformations résultant en la disparition des jeux entre pièces, leur soudage et la fermeture des pores.


Le soudage diffusion permet d’obtenir l’assemblage de composants complexes. Il peut s’agir de pièces composées de plusieurs matériaux, chaque matériau se voyant attribuer une fonction (matériau de structure, matériau pour évacuer la chaleur, matériau anti-usure en surface…). Il faut noter à ce sujet que des couples de matériaux très différents, réputés insoudables peuvent être assemblés (cuivre et tungstène, acier et titane…). La complexité du composant peut aussi être due à sa géométrie : des formes géométriques difficiles voire impossibles à réaliser par usinage peuvent être obtenues (composants avec des canaux internes de refroidissement courbes).


L’utilisation simultanée de poudres et de pièces solides permet d’obtenir des assemblages avec des interfaces 3D complexes sans recourir à des usinages coûteux. Cette technique a par exemple été utilisée pour réaliser un prototype de panneau de première paroi destiné à recouvrir l’intérieur de la chambre du réacteur ITER.

Un autre exemple porte sur une maquette d’un futur méthaneur développé au Liten. Ce réacteur échangeur en acier inoxydable est constitué d’un empilement de plaques rainurées soudées par diffusion. Il comporte des canaux rectangulaires lieux de la production de méthane à partir de dioxyde de carbone et d’hydrogène et des canaux de refroidissement pour contrôler la température de la réaction. A plus grande échelle, des échangeurs similaires sont développés par le laboratoire pour le système de conversion d’énergie du futur réacteur nucléaire ASTRID.


Le brasage permet de réaliser une liaison entre différents éléments par fusion et solidification d’un matériau d’apport disposé entre ceux-ci (la brasure). Contrairement au soudage, le brasage est réalisé à une température inférieure à la température de fusion des éléments à assembler, seule la brasure passe à l’état liquide. C’est un moyen d’assembler et d’assurer l'étanchéité de composants très divers. En effet, une caractéristique importante du brasage comme du soudage diffusion est le fait que des assemblages très intimes sont obtenus. Les développements concernent plus particulièrement le brasage des céramiques à haute température destinées à des applications dans le domaine de l'énergie ou en environnements extrêmes (chimie, aéronautique…). Le Liten a ainsi mis au point le procédé et les brasures BraSiC© (alliages à base de silicium), pour assembler le carbure de silicium et d’autres céramiques similaires. Le procédé a notamment servi dans le cadre de la fabrication de miroirs de télescope pour l’optique spatiale, car on ne sait pas fabriquer des structures en carbure de silicium de très grande taille en une seule pièce. Ce procédé a permis au laboratoire de travailler avec Airbus Defense & Space pour la réalisation des télescopes Herschel et Gaia. Cette technologie lui a aussi ouvert les portes du CNES et de Safran. Il est ainsi partie prenante de la mise au point de technologies d’assemblage brasés d’arrière-corps de moteurs en Composite à Matrice Céramique (CMC) afin d’alléger ces pièces, dans l’optique de réduire la consommation de carburant.

L’autre sujet phare du laboratoire sur la thématique du brasage est la réalisation d’assemblages céramique/métal. Un des facteurs limitant le déploiement de céramiques techniques est qu’elles doivent, dans la majorité des cas, être couplées et donc assemblées avec des matériaux métalliques. Or, l’assemblage céramique/métal est particulièrement complexe du fait d’incompatibilités thermomécaniques et physico-chimiques entre ces matériaux. Il n’existe pas de solution générique pour la réalisation de telles jonctions et le laboratoire développe une expertise dans le développement de solutions « sur mesure » afin de répondre au cahier des charges de chaque partenaire. Les projets en cours touchent une grande variété de secteurs d’activité tels que l’énergie nucléaire ou l’aéronautique et le spatial.


Compétences matériaux & essais

Cette activité historique du laboratoire est mise à profit pour la qualification des procédés décrits ci-dessus ainsi que d’autres procédés de fabrication, en particulier pour la caractérisation du comportement mécanique des matériaux constituant les assemblages et des interfaces, en lien avec les paramètres procédé et l’environnement d’essai (température, atmosphère). Le savoir-faire développé permet de déterminer les lois de comportement nécessaires à la simulation du procédé mais aussi à étudier les interactions microstructures / comportement / endommagement afin d'optimiser le choix des matériaux ou les paramètres du procédé. Au-delà, dans un contexte plus général de l’étude de l’hydrogène comme nouveau vecteur énergétique, le laboratoire a acquis une compétence particulière sur la fragilisation par l’hydrogène gazeux des matériaux de structure. Les moyens et l'expertise développés permettent de quantifier la sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène des matériaux et d'en étudier les mécanismes mis en jeu.

AVANTAGES

Des procédés performants pour fabriquer des produits de qualité, innovants

  • La compression isostatique à chaud (CIC) est un moyen de réaliser des assemblages multi-matériaux ou des objets de forme géométrique complexe, de grande taille et à conception innovante.
  • La CIC est aussi une technique de métallurgie des poudres permettant l’obtention de matériaux et composants à hautes performances
  • Le brasage réfractaire du carbure de silicium est particulièrement bien maitrisé. Le procédé permet d’obtenir des joints performants pour des applications dans des milieux extrêmes.
  • Les liaisons brasées céramique-métal permettent l’assemblage des céramiques avancées avec les parties plus conventionnelles des systèmes.
  • Le laboratoire intervient depuis la réalisation d’études scientifiques en amont jusqu’à la fabrication et la qualification de prototypes.
  • Il adresse tous types d’industries : nouvelles technologies de l’énergie, fission & fusion nucléaires, aéronautique, spatial, mécanique, industrie manufacturière…

EXEMPLES DE PROJETS

  • Le projet FUI Enerpoudre (2009-2014), en partenariat avec Areva, Aubert&Duval, Erasteel, l’université de Bourgogne, vise la mise au point de la fabrication de composants de chaudronnerie pour les réacteurs à eau pressurisée par métallurgie des poudres en CIC. Le projet cherche une alternative à la voie classique des pièces forgées pour être plus économe en matière première et offrir des délais raccourcis. Le matériau concerné est l’acier bainitique constituant notamment les cuves des réacteurs à eau pressurisée actuels. 
  • Le projet Mathryce vise à fournir une méthodologie d’évaluation de la durée de vie en fatigue d’appareils à pression destinés à l’hydrogène, établie à partir de tests expérimentaux effectués en laboratoire. L'objectif ultime du projet est la proposition de recommandations prenant en compte la fatigue sous hydrogène gazeux pour des codes ou normes internationales.

REPERES
  • Une trentaine de chercheurs
  • 44 brevets
  • Publications : 
V. Chaumat, G. Roux “Multi-staged brazing using the BraSiC® process for the fabrication of very large and/or complex SiC based components”, 10th International Conference on Brazing, High Temperature Brazing and Diffusion Bonding (LOET 13), Aix La Chapelle, Allemagne 18-20 juin 2013.
N. Bouquet, E. Rigal, S. Chomette, F. Bernard “Influence of industrial sheet surface finish on interface formation during HIP-bonding of austenitic stainless steel”, 11th International Conference of Hot Isostatic Pressing (HIP ’14), Stockholm, Suède, 9–13 June 2014.
P-E Frayssines, J-M Gentzbittel, A Guilloud, P Bucci, T Soreau, N Francois, F Primaux, S Heikkinen, F Zacchia, R Eaton, V Barabash and R Mitteau “CuCrZr alloy microstructure and mechanical properties after hot isostatic pressing bonding cycles”, Physica Scripta T159 (2014).
L. Briottet, I. Moro, M. Escot, J. Furtado, P. Bortot, G.M. Tamponi, J. Solin, G. Odemer, C. Blanc, E. Andrieu, "Fatigue crack initiation and growth in a CrMo steel under hydrogen pressure", International Journal of Hydrogen Energy, 2015, In Press.


Pour en savoir plus

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