Placage d'alliages à propriétés fonctionnelles : microstructure, adhésion et nouveaux matériaux

La conception de matériaux performants est essentielle au développement de l'industrie. Dans ce contexte, les composites métalliques multifonctionnels sont prometteurs : ils combinent les caractéristiques de chaque métal pour atteindre des propriétés originales que les constituants seuls ne possèdent pas. Le placage par colaminage est une technique de soudage à l'état solide employée pour fabriquer des composites métalliques en empilant des tôles d'alliages puis en les laminant conjointement. Or, les mécanismes microscopiques de soudage aux interfaces des composites ne sont pas entièrement compris et les paramètres macroscopiques influençant la qualité de l'adhésion doivent être ajustés expérimentalement pour chaque nouveau plaqué. L'objectif de cette thèse est d'enrichir la compréhension des micro-mécanismes d'adhésion en colaminage et de déterminer les paramètres de placage optimaux, pour fabriquer deux nouveaux composites d'alliages Fe-Ni dédiés à des applications magnétiques ou électroniques.L'étude d'un bilame modèle d'alliages Fe-Ni50 a révélé que la préparation mécanique des constituants avant placage crée une couche écrouie à la surface des tôles. Lors du placage, les couches écrouies se faisant face à l'interface se fragmentent sous l'effet de l'allongement des tôles. Des métaux vierges sous pression s'écoulent alors entre les fragments et forment des liaisons chimiques de part et d'autre de l'interface. Nos travaux ont permis d'identifier la température optimale de colaminage (350°C), qui garantit une adhésion élevée des composites d'alliages Fe-Ni. Enfin, l'étude du bilame modèle a souligné l'effet remarquable du recuit de post-placage sur la qualité du soudage. L'adhésion des bilames augmente fortement avec la température de recuit.Grâce à l'optimisation du procédé de colaminage, deux nouveaux composites ont été fabriqués. Un trilame magnétique Fe-Ni80/Fe-Ni30/Fe-Ni80 a été conçu pour remplacer les alliages Fe-Ni80 (Mumétal) à haute perméabilité utilisés dans les disjoncteurs différentiels électroniques fonctionnant à 50 Hz et à bas champ, pour économiser du nickel. Nos travaux ont révélé la température de recuit optimale du trilame (900-1000°C) au-delà de laquelle l'interdiffusion entre les constituants réduit les performances du composite. En courant continu, la substitution du cœur du Fe-Ni80 (1/3) par l'alliage Fe-Ni30 à basse performance entraine une dégradation de la perméabilité du trilame par rapport au mono-métal. Mais, en champ alternatif, l'écart entre la perméabilité du mono-métal Fe-Ni80 et celle du trilame diminue avec l'augmentation de la fréquence, atteignant 40-45 % à 400 Hz. Nos travaux ont caractérisé les problématiques de l'interdiffusion et des interactions interface/croissance cristalline et interface/structure en domaines spécifiques aux assemblages multi-métaux plaqués, ce qui facilitera la conception d'autres composites magnétiques.La thèse s'est ensuite focalisée sur la conception d'un composite à haute conductivité thermique et faible dilatation, alternant des couches de cuivre et d'Invar (alliage Fe-Ni36 à faible dilatation). Cet assemblage vise à remplacer le cuivre dans les substrats des modules de puissance car l'écart de dilatation entre le cuivre et le silicium crée des contraintes thermomécaniques endommageant les modules. En exploitant la fragmentation des tôles d'Invar se produisant au cours du multi-colaminage des composites, une structure multi-fragmentée contenant des contacts directs entre les couches de cuivre, appelés ponts thermiques, a été obtenue. Ce composite présente un coefficient de dilatation quasi constant entre 20-250°C, égal aux coefficients de dilatation de ses constituants au prorata de leurs proportions respectives dans l'assemblage (80 % de cuivre). La création de ponts thermiques assure un gain de conductivité thermique de 30 % (par rapport à un composite non fragmenté), qui peut être amélioré en augmentant la fraction de ponts.