Les principaux phénomènes physiques en jeu lors du brasage

Le brasage en général

Des objets fabriqués en or ; des haches forgées en cuivre, en argent ou encore en plomb : telles sont les premières traces de métallurgie de l’humanité. Ces vestiges sont ceux du peuple Sumérien, installé dans le sud de la Mésopotamie, et datent de 4400 av J.C. (American Welding Society, 2007). Bientôt, l’évolution de leur savoir et des techniques leur permettent de joindre deux pièces métalliques d’or et d’argent : le brasage était né. Depuis, le procédé s’est largement développé et on le retrouve dans de nombreuses industries du monde actuel, notamment dans le domaine de l’aéronautique. Le brasage permet ainsi aujourd’hui d’assembler de très nombreux métaux entre eux, de même que certaines céramiques.

Le brasage est défini par l’American Welding Society (AWS) comme un procédé d’assemblage visant à joindre des matériaux en les chauffant à la température de brasage, et ce, en présence d’un métal d’apport (American Welding Society, 2007). Le métal d’apport est disposé entre les matériaux à assembler et sa fusion lui permet de se distribuer par capillarité et de mouiller les surfaces des matériaux de base lorsque la température aura atteint la température de brasage. Lorsque cette température est supérieure à 450°C on parle alors de brasage fort, en opposition au brasage tendre. Dans le cadre de cette étude, le terme de brasage renverra exclusivement au brasage fort, étant donné que la température de fusion de l’alliage de brasage concerné est de 856°C. La mise en contact de cet alliage de brasage avec le métal de base va conduire à de nombreuses interactions entre tous ces éléments.

Les principaux phénomènes physiques en jeu lors du brasage 

Bien que le procédé de brasage soit une application pratique et relativement facile à mettre en œuvre, de nombreux phénomènes physiques rentrent en jeu et rendent ainsi possible l’assemblage de deux métaux. Cette section s’intéressera en particulier aux notions de mouillage et de capillarité du métal d’apport qui sont les points de départ de tout procédé de brasage, puis une section sur la diffusion apportera des éléments sur ce phénomène impliqué dans la formation d’un joint brasé.

Mouillage

En premier lieu, le phénomène de mouillage intègre la notion de tension superficielle. La tension superficielle désigne la force par unité de longueur qui correspond à l’énergie de surface d’un corps solide ou liquide et dépend du médium dans lequel il est plongé (Landolt, 1997). On note la tension superficielle γ et s’exprime en N.m-1.

Le travail élémentaire dW qu’il faut fournir pour pouvoir augmenter la surface libre d’un fluide de dS est proportionnel à γ et s’exprime ainsi :

dW = γ. dS (1.1)

Dans le cas du brasage, la mouillabilité caractérise la facilité avec laquelle une goutte du métal d’apport, ou brasure, s’étend sur la surface solide du métal de base lorsqu’il se trouve à l’état liquide (Landolt, 1997). Ainsi, c’est uniquement la valeur de l’angle θ qui caractérisera la mouillabilité : un angle de mouillage inférieur à 90° permet le mouillage et voit alors la goutte s’étendre, tandis qu’un angle supérieur à 90° ne le permet pas. Le mouillage parfait, ou mouillage total, correspond à un angle de 0° où le métal d’apport s’étale entièrement sur le métal de base. Pour des applications de brasage l’angle pour lequel le mouillage est optimal est estimé être entre 10 et 45° (Stephens, 2006). Selon l’équation de Young (1.3), faire varier les valeurs des tensions superficielles permet donc de contrôler la valeur de cet angle. C’est ainsi qu’apparait la nécessité de préparer adéquatement le métal de base en prévenant, par exemple, la présence d’éléments sur ses surfaces pour jouer sur la valeur de γsv et alors contrôler le mouillage. De même, l’atmosphère en présence lors du brasage aura une influence sur les valeurs de γLv et de γsv et sera donc un paramètre à prendre en compte. En outre, la température de brasage est un paramètre qui joue un rôle sur la tension superficielle γsL et sur la fluidité du métal d’apport, et donc sur son écoulement.

Capillarité

L’écoulement du liquide lors du brasage est appelé la capillarité et est encore aujourd’hui considéré comme un mécanisme physique complexe. Malgré tout, lorsque l’angle de mouillage est inférieur à 90°, il est possible de définir la force de capillarité qui découle de l’effet des énergies de surface de deux plaques parallèles et qui s’exprime ainsi :

Fc = 2γLv cosθ (1.4)

L’expérience a néanmoins démontré que de nombreux paramètres ont une influence sur la force de capillarité et que l’équation (1.4) ne rend compte que d’une partie des paramètres mis en jeu. Parmi ces variables ayant un effet sur la capillarité du métal d’apport on retrouve notamment la rugosité du métal de base, la viscosité de la brasure, la température de brasage et la composition chimique des matériaux (American Welding Society, 2007).

Le brasage au four 

Dans le cadre de cette maitrise, le brasage au four (ou en fournaise) sera la méthode employée. Il existe d’autres moyens de braser, parmi lesquels nous pouvons citer le brasage à la torche, le brasage par induction, le brasage par résistance ou encore le brasage par technologie infrarouge. Par rapport à ces méthodes de brasage citées, le brasage au four présente l’avantage de pouvoir braser des pièces de tailles importantes et de pouvoir braser plusieurs pièces lors d’une même opération, assurant ainsi une certaine répétabilité dans le procédé. Même si le coût originel des équipements est plus élevé, le brasage au four apparait très compétitif notamment avec cette potentialité de produire des pièces par lot (American Welding Society, 2007). En revanche, la problématique de l’atmosphère de brasage est centrale pour ne pas produire des pièces contaminées. Ce sujet sera abordé après avoir décrit la forme générale d’une opération de brasage.

Cycle de brasage 

En théorie, un cycle de brasage au four est très basique comme il a pu être résumé dans la section précédente. Cependant, ces étapes élémentaires cachent les précautions à prendre avant toute opération. Le chauffage est contrôlé par un programme et peut se présenter sous une multitude de formes selon le cas en présence : chauffage linéaire constant, variations de la vitesse de chauffe, chauffage par paliers, etc. Ce dernier cas de chauffage par paliers est généralement utilisé pour supprimer le risque de surchauffe. En effet, en raison de l’inertie thermique il existe un décalage entre la température programmée et la température effective à l’intérieur du four. Ceci peut alors conduire à dépasser la température souhaitée lorsque le chauffage s’arrête. Les différents paliers placés pendant le chauffage, typiquement d’une durée d’une dizaine de minutes, permettent l’homogénéisation de la température dans l’ensemble du four mais sont surtout introduits en dessous de la température de liquidus du métal d’apport pour éviter toute fusion prématurée de ce dernier dans le cycle.

Lorsque la température de brasage est atteinte, le four est maintenu à cette température pour une durée correspondant à la durée de brasage (ou temps de brasage). La durée est généralement définie en fonction des caractéristiques du joint que l’on désire obtenir. Plus la durée de brasage sera longue et plus la diffusion des éléments sera facilitée, entrainant le développement certaines microstructures dans le joint. Macroscopiquement, il s’agira général davantage de la largeur du joint finale désirée.

Enfin, le cycle de brasage se conclut par le refroidissement du four, permettant ainsi au joint de se solidifier. Comme dans le cas du chauffage en début de cycle, le refroidissement du four peut lui aussi être contrôlé selon des programmes définis, ou bien dans certains cas, suivre un refroidissement naturel (Schwartz, 2003).

Température de brasage 

La température de brasage est un paramètre critique lors du brasage. Elle a une grande importance tant au niveau de la mouillabilité du métal d’apport que de la diffusion des éléments. La plage de températures de brasage envisageables se situe au-dessus de la température de fusion du métal d’apport et en dessous de celle du métal de base. Suivant ces contraintes, la température la plus basse possible est choisie et ce pour deux raisons principales : d’une part cela nécessite moins d’énergie, et ça permet d’autre part de réduire les impacts de la montée en température sur les matériaux de base (Schwartz, 2003). En effet, l’augmentation de la température peut entrainer certains changements de microstructure dans le cas du Ti-6Al-4V et en particulier augmenter la taille des grains α ce qui en dégraderait certaines caractéristiques mécaniques. Dans le cas du Ti-6Al-4V, il est recommandé d’adopter une température de brasage se situant au moins 38°C transus β et idéalement 66°C sous cette température (Donachie, 2000). En utilisant le Ti-20Zr 20Ni-20Cu comme métal d’apport, le domaine de températures recommandées est compris entre 880°C et 920°C (Shapiro et Rabinkin, 2003).

Durée de brasage 

La durée de brasage est un paramètre éminemment important dont le choix se fait en regard de nombreux facteurs. Le temps de brasage dirige directement le phénomène de diffusion. Ainsi, plus le temps augmente, plus la diffusion est importante, ayant pour conséquence première l’augmentation de la distance que parcourent les atomes lors du brasage. Une durée suffisamment importante facilitera donc la disparition du métal d’apport se trouvant entre les plaques de base grâce à la diffusion des éléments vers ces dernières. De plus, l’homogénéité de la composition chimique du joint se voit favoriser lors de l’augmentation du temps de brasage, ayant pour résultat la disparition de certaines phases pouvant fragiliser le joint.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Le brasage en général
1.2 Les principaux phénomènes physiques en jeu lors du brasage
1.2.1 Mouillage
1.2.2 Capillarité
1.2.3 Diffusion des éléments
1.2.4 Dissolution et érosion dans le cadre du brasage
1.3 Le brasage au four
1.3.1 Cycle de brasage
1.3.2 Température de brasage
1.3.3 Durée de brasage
1.3.4 Atmosphère de brasage
1.4 Le titane et ses alliages
1.4.1 Caractéristiques du titane
1.4.2 Structure du titane
1.4.3 Les alliages de titane
1.4.3.1 Éléments d’alliage
1.4.3.2 Classification des alliages de titane
1.4.4 Cas du Ti-6Al-4V
1.4.4.1 Composition et microstructures
1.4.4.2 Structure lamellaire
1.4.4.3 Structure bimodale
1.4.4.4 Structure équiaxe
1.4.4.5 Microstructure et propriétés mécaniques
1.5 Le brasage du titane
1.5.1 Le brasage du titane en général
1.5.2 Brasage du Ti-6Al-4V par le Ti-20Zr-20Ni-20Cu
1.5.2.1 Microstructure des joints brasés
1.5.2.2 Microstructure et propriétés mécaniques
CHAPITRE 2 MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
2.1 Principes des essais
2.1.1 Variation de la température de brasage
2.1.2 Variation du temps de brasage
2.2 Brasage de joint en T
2.2.1 Description
2.2.2 Préparation des joints pour le brasage
2.2.3 Assemblage des éléments à braser
2.2.4 Cycle thermique
2.2.5 Atmosphère de brasage
2.3 Analyse des joints brasés
2.3.1 Inspection visuelle
2.3.2 Microscopie optique
2.3.2.1 Préparation des échantillons
2.3.2.2 Observation des joints
2.3.3 Microscopie électronique à balayage
2.3.3.1 Principes
2.3.3.2 Observation des joints
2.3.3.3 Mesure de composition chimique
2.3.4 Analyse de microdureté
CHAPITRE 3 RÉSULTATS DES ESSAIS ET DES ANALYSES
3.1 Résultats des essais à 870°C
3.1.1 Microscopie optique
3.1.1.1 Zones observées
3.1.1.2 Évolution avec le temps
3.1.2 Microscopie électronique à balayage
3.1.2.1 Zones observées
3.1.2.2 Composition chimique des zones
3.1.3 Microdureté
3.2 Résultats des essais à 875°C au CMQ
3.2.1 Cycle et conditions de brasage utilisés
3.2.2 Observation de joints brasés
3.2.2.1 Développement des lamelles
3.2.2.2 Érosion et dissolution du métal de base
3.2.2.3 Contamination et oxydation des joints
3.3 Résultats des essais à 900°C
3.3.1 Microscopie optique
3.3.1.1 Zones observées
3.3.1.2 Évolution avec le temps
3.3.1.3 Comparaison des différentes épaisseurs à 870°C et 900°C
3.3.2 Microscopie électronique à balayage
3.3.2.1 Zones observées
3.3.2.2 Composition chimique des zones
3.3.3 Microdureté
3.3.4 Brasage de joints à recouvrement
3.3.4.1 Brasage pendant 40 minutes
3.3.4.2 Brasage pendant 80 minutes
3.3.4.3 Composition chimique dans le joint
CHAPITRE 4 DISCUSSION
4.1 Conditions de brasage
4.2 Durée et température de brasage
CONCLUSION

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