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>> Le brasage des céramiques techniques et assemblages composites

| Rédacteur: Jean-René Gonthier

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(Image: SWI)
(Image: SWI)

Les possibilités d'assemblage par brasage des céramiques techniques ainsi que les assemblages métal/céramique sont souvent méconnus. Les technologies permettant une liaison permanente métal/céramique ne sont pas nombreuses. Le brasage offre donc une solution intéressante.

Le brasage est une technique utilisée depuis des siècles pour la réalisation d'assemblages permanents. Ce procédé d'assemblage est bien maîtrisé et largement répandu pour les liaisons métalliques; il permet de lier deux pièces par l'intermédiaire d'un métal d'apport ayant un point de fusion plus bas que ces dernières.

En revanche, les possibilités d'assemblage par brasage des céramiques techniques ainsi que les assemblages métal/céramique sont souvent méconnues. En fait, il existe deux principales méthodes de brasage pour ce type de liaisons. La première nécessite une métallisation de la céramique par une couche mince de métal, cette opération de métallisation est suivie d'un brasage traditionnel. La seconde méthode est directe, mais nécessite l'emploi d'une brasure dite « active ». Ce type de brasure disponible commercialement contient un métal réactif avec l'oxygène comme le titane ou le zirconium. Par sa grande affinité à l'oxygène, le métal réactif va permettre de créer une liaison chimique forte avec la céramique (voir figure dans la galerie d'image).

Pour que cette réaction puisse avoir lieu, la température de travail doit être supérieure à 800°C sous une faible pression partielle d'oxygène. Pour cela ces assemblages sont réalisés dans un four permettant un vide secondaire.

Définition de la problématique

La liaison céramique/métal présente des intérêts importants pour des applications notamment dans les domaines : électrique, électronique et biomédical. Cependant, d'un point de vue structurel, elle présente des problèmes liés aux différences de propriétés mécaniques et physiques de ces deux classes de matériaux.

Choix des matériaux

Le choix de matériaux structurellement compatibles est donc primordial pour pouvoir réaliser un assemblage céramique/métal. Le paramètre le plus critique dans le choix des matériaux est la différence des coefficients de dilatation. En effet, l'équilibre thermomécanique de l'assemblage se trouve à la température du solidus de la brasure. De ce fait des déformations, respectivement des contraintes importantes se forment au refroidissement. Intuitivement, le choix de matériaux compatibles se fait en choisissant des matériaux présentant des coefficients de dilatation semblables. Cette solution n'est cependant pas toujours satisfaisante.

Pour aller plus loin et en admettant une déformation plastique du métal de base, il est possible de considérer un indice de compatibilité thermomécanique prenant en compte également l'élongation à la rupture et la limite élastique du matériau pour effectuer un choix. Ainsi évaluée, la compatibilité thermomécanique des alliages de cuivre (coefficient de dilatation : 17.7 ppm/K) est meilleure que les alliages de titane (9.2 ppm/K) pour une liaison avec de l'alumine (7.4 ppm/K), malgré la différence importante des coefficients de dilatation. En effet, la faible limite élastique du cuivre autorise des déformations plastiques locales qui permettent de diminuer les contraintes internes.

Détermination du design et du niveau de contrainte thermomécanique

Une fois le choix de matériaux effectué, il est essentiel de déterminer un design du joint n'induisant pas de contraintes thermomécaniques trop importantes. Pour ce faire, il est en général nécessaire de faire appel à une modélisation par éléments finis qui met en évidence les concentrations de contraintes dans la céramique. Un modèle élasto-plastique est généralement appliqué pour prendre en compte les déformations plastiques du métal.

Conclusion

Le brasage des céramiques est un procédé qui requiert une démarche d'ingénierie complète intégrant le choix des matériaux, la conception du design, l'évaluation des contraintes internes et le choix des paramètres du procédé. De plus, sa réalisation n'est possible qu'à haute température sous vide avec des brasures d'un très haut niveau de pureté. Ces impératifs confèrent à cet assemblage une forte valeur ajoutée. Comme les technologies permettant une liaison permanente métal/céramique ne sont pas nombreuses, le brasage offre donc une solution intéressante malgré son coût relativement élevé. <<

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