Physico-chimie des échanges matrice/renfort dans un matériau composite acier/TiC

Chemicophysical exchanges in a steel/TiC metal matrix composite

• Auteur / Autrice : Alice Courleux
• Direction : Jean-Claude Viala, Olivier Dezellus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 13/07/2011
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Brylinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Gautier, Nikhil Karnatak
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yann Le Petitcorps, Jean-Marc Chaix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poudres métalliques

Chimie des surfaces

Carbure de titane

Composites à matrice métallique

Mots clés libres

Composite à matrice métallique

Carbure de titane (TiC)

Chimie d’interface

Poudre d'acier

Metal matrix composites

Titanium carbide (TiC)

Interface Chemistry

Steel powder

Résumé

Un composite à matrice métallique et à renfort particulaire de carbure de titane (25vol.%) produit par la société Mecachrome par métallurgie des poudres est l’objet de cette étude. Le process industriel suit trois étapes : broyage à haute énergie des poudres d’acier et de carbure de titane (TiC) ; consolidation de la poudre composite par extrusion ou consolidation isostatique à chaud (HIP) ; traitements thermiques d’austénitisation. Les principales évolutions concernent la taille de particule, la taille de cristallite, le paramètre de maille et la composition chimique du renfort TiC. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés uniquement sur l’évolution du renfort (les évolutions de la matrice sont développées dans le travail de M. Mourot). Afin de caractériser les particules de TiC à chaque étape du process, nous avons mis en place une procédure de dissolution chimique sélective de la matrice acier. Le TiC ainsi « extrait » de la matrice a ensuite été caractérisé de façon méthodique par microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET), diffraction des rayons X (DRX) et analyse chimique élémentaire. Ces techniques ont permis de révéler des changements importants indiquant des interactions physico-chimiques durant les étapes d’élaboration du composite. Ces évolutions du renfort et l’étude thermodynamique des systèmes C-Fe-Ti et C-Fe-O-Ti ont permis de proposer les mécanismes réactionnels à prendre en compte lors de l’élaboration du composite acier/TiC

Steel metal matrix composites reinforced with titanium carbide particles (25 vol% ) can be industrially produced by a solid-state process including three main steps: mechanical alloying by high energy milling of steel and titanium carbide powders; consolidation of the powder mixture thus obtained by hot forging, hot extrusion or hot pressing at 1050-1250°C; heat treatment of the resulting composite material. During each of the three steps, the TiC reinforcing particles are submitted to severe mechanical shocks or stresses. Moreover, they can chemically react with impurities of the gas phase during milling or with the steel matrix during consolidation or further heat treatment. As a result, changes are likely to occur in the grain size, crystallite size, morphology and composition of the particles. The aim of this thesis was to point out and characterize these changes. For that purpose, a procedure was developed to selectively dissolve the metal matrix and extract the TiC particles from the starting powder mixture, from the consolidated composite material and from further heat-treated composite samples. The extracted TiC particles were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), chemical microanalysis (CMA) and X-ray diffraction (XRD). This revealed important changes indicative of the physical and chemical interaction phenomena that successively proceed during processing of the steel/TiC composite