Un procédé d'élaboration de matériaux composites à matrice métallique (CMM) par voie liquide consiste à injecter sous pression du métal liquide dans une préforme fibreuse placée dans un moule. Lorsqu'un alliage métallique est injecté, un phénomène de ségrégation lié au changement de phase de la matrice apparaît au cours de l'imprégnation de la préforme. Une étude expérimentale de ce phénomène a été réalisée ; elle comprend la production d'échantillons en faisant varier les paramètres d'élaboration ainsi que l'analyse chimique et structurale des composites. Une modélisation à l'échelle de la fibre des transferts thermiques et solutaux qui ont lieu lors de l'injection du métal est proposée.Une simulation numérique basée sur la résolution des équations de conservation par la méthode des volumes finis a été développée. Les résultats de cette simulation ont ensuite été confrontés aux observations faites sur les composites.

UNE NOUVELLE TECHNIQUE D'ELABORATION DES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE CONSISTE A INJECTER UN METAL LIQUIDE A TRAVERS UNE PREFORME FIBREUSE PLACEE DANS UN MOULE METALLIQUE. SI CE PROCEDE A L'AVANTAGE D'ETRE UN MOYEN RAPIDE D'ELABORATION, IL ENGENDRE NEANMOINS DES DIFFICULTES DUES NOTAMMENT A L'APPARITION DE PHENOMENES DE SOLIDIFICATION PENDANT L'IMPREGNATION. DANS LE BUT DE FACILITER LE CONTROLE DES DIFFERENTS PARAMETRES DU PROCESS, DEUX MODELES NUMERIQUES BIDIMENSIONNELS, BASES SUR LA DISCRETISATION DES EQUATIONS DE DARCY ET DE LA CHALEUR, ONT ETE DEVELOPPES POUR SIMULER CE PROCEDE D'ELABORATION. LE PREMIER MODELE, BASE SUR LA METHODE DES VOLUMES FINIS, PERMET DE SUIVRE L'ECOULEMENT D'UN METAL A TRAVERS UNE PREFORME FIBREUSE PLACEE ENTRE LES DEUX PAROIS PLANES DU MOULE. UNE ETUDE DE L'EVOLUTION DE LA SOLIDIFICATION ET DE L'INFLUENCE DE DIFFERENTS PARAMETRES PHYSIQUES SUR L'IMPREGNATION EST ALORS PRESENTEE. LE DEUXIEME MODELE, BASE SUR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS ET INTEGRE A LA BIBLIOTHEQUE DE CALCUL MODULEF, PERMET DE DECRIRE L'IMPREGNATION D'UNE PREFORME FIBREUSE DANS UN CAS AXISYMETRIQUE. UN DISPOSITIF EXPERIMENTAL PERMET DE VALIDER QUELQUES RESULTATS NUMERIQUES CONCERNANT L'EVOLUTION DE LA SOLIDIFICATION DU METAL AU COURS DE L'IMPREGNATION

L'IMPREGNATION DE PREFORMES FIBREUSES PAR UN METAL EST UNE TECHNIQUE PROMETTEUSE ET DE MIEUX EN MIEUX MAITRISEE POUR L'ELABORATION DE MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE. CEPENDANT CE TYPE DE MATERIAUX EST ENCORE ASSEZ PEU UTILISE INDUSTRIELLEMENT EN PARTICULIER A CAUSE DES NOMBREUX DEFAUTS QUI APPARAISSENT AU COURS DE LA SOLIDIFICATION DU METAL AU SEIN DE LA PREFORME. DANS CE TRAVAIL NOUS PROPOSONS UNE SIMULATION NUMERIQUE DE L'APPARITION DES MICROPOROSITES AU COURS DE L'ELABORATION DE MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE PAR IMPREGNATION. APRES UNE INTRODUCTION OU NOUS RECENSONS LES PRINCIPALES METHODES DE PREDICTION DES DEFAUTS EN FONDERIE CLASSIQUE, NOUS PRESENTONS LES PHENOMENES PHYSIQUES PROPRES A L'APPARITION DE CAVITES LORS DE L'ELABORATION DES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE PAR IMPREGNATION. NOUS DECRIVONS ENSUITE LES ALGORITHMES QUE NOUS AVONS DEVELOPPES POUR SIMULER L'APPARITION DES MICROPOROSITES DUES AU RETRAIT. NOUS TESTONS L'INFLUENCE DE DIFFERENTS PARAMETRES (MASSELOTTAGE, VITESSE DE SOLIDIFICATION) SUR LA REPARTITION DES MICROPOROSITES. ENFIN NOUS PROPOSONS UNE VALIDATION EXPERIMENTALE DE LA METHODE NUMERIQUE

LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE PRESENTENT DES PROPRIETES MECANIQUES ELEVEES ET PROMETTEUSES, EN PARTICULIER LES MATRICES BASE TITANE RENFORCEES PAR DES FIBRES LONGUES POUR LES INDUSTRIES AERONAUTIQUE ET SPATIALE. DIVERS PROCEDES D'ELABORATION DE TELS MATERIAUX ONT ETE DEVELOPPES ; LA VOIE FEUILLARD/FIBRE/FEUILLARD SEMBLE OFFRIR UN BON RAPPORT QUALITE/COUT. L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST L'OPTIMISATION DE CE PROCEDE AU TRAVERS, D'UNE PART, DE L'ETUDE DE L'ECOULEMENT DE LA MATRICE AUTOUR DES FIBRES, ET D'AUTRE PART, DE LA PREDICTION DE L'ETAT DE DENSIFICATION DU MATERIAU A L'AIDE DES SIMULATIONS PLASTICINE ET NUMERIQUE. LA PREMIERE PARTIE A AINSI CONSISTE A ETABLIR UNE METHODOLOGIE PERMETTANT D'ACCEDER A LA RHEOLOGIE DES FEUILLARDS DANS LES CONDITIONS D'ELABORATION DU MATERIAU COMPOSITE. CETTE METHODOLOGIE A ETE MISE AU POINT ET VALIDEE POUR LES ALLIAGES DE TITANE TA6V ET B21S. L'INFLUENCE DE L'HISTOIRE THERMOMECANIQUE PARTICULIERE DES FEUILLARDS, ET DONC DE LEUR MICROSTRUCTURE PROPRE, A ETE MISE EN EVIDENCE. AFIN DE MODELISER LE PROCEDE, DEUX VERSIONS DU CODE FORGE2 ONT ETE DEVELOPPEES POUR INTEGRER LES CONDITIONS GEOMETRIQUES ET MECANIQUES DE CE DERNIER. LA PREMIERE, VISCOPLASTIQUE, MET EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES FROTTEMENTS ET DE LA RHEOLOGIE SUR LES TEMPS DE COMPACTION DE MATERIAUX PARTICULIERS (FIBRES PARFAITEMENT ALIGNEES OU EN QUINCONCE). LA SECONDE VERSION, ELASTO-VISCOPLASTIQUE, S'APPUYANT SUR UNE DISTRIBUTION STATISTIQUE DES RENFORTS, PERMET LA SIMULATION DU PROCEDE INDUSTRIEL. ON A AINSI PU DEMONTRER L'IMPORTANCE DE LA PRISE EN COMPTE DES MOUVEMENTS DES FIBRES, AINSI QUE L'INDEPENDANCE DU TEMPS DE COMPACTION VIS-A-VIS DU NOMBRE DE PLIS DU MATERIAU COMPOSITE. LES RESULTATS DES SIMULATIONS SONT EN BON ACCORD AVEC DES ESSAIS INDUSTRIELS DE CONSOLIDATION

Ce travail de thèse s'est articulé autour de deux pôles principaux : la mise au point de l'élaboration de matériaux composites par infiltration d'une préforme de fibres de carbone par de l'aluminium liquide sous l'action d'une pression de gaz, la caractérisation microstructurale et mécanique des matériaux obtenus. Ceci dans le but de définir des critères de choix des constituants et des conditions opératoires du procédé, et de proposer des méthodes de dimensionnent de ces matériaux à partir des caractéristiques du renfort et de la matrice. Une première phase de l'étude a mis en évidence les spécificités du procédé retenu. Elle a été mise à profit pour rédiger le cahier des charges d'un moyen expérimental d'élaboration utilisé pour la suite du projet. Une deuxième phase d'élaboration et de caractérisation de composites unidirectionnellement renforcés avec différents types de fibres et des alliages d'aluminium à teneur de magnésium variable a mis en évidence le rôle prépondérant de la liaison interfaciale sur les contraintes à rupture en sens longitudinal et en sens travers des matériaux considérés. Une troisième phase a été consacrée à l'emploi de tissus afin d'améliorer les caractéristiques transverses. Cette partie a permis de valider l'emploi de la théorie classique des stratifiés pour la prédiction des propriétés thermoélastiques des composites C/Al. La dernière partie de l'étude a porté sur l'optimisation d'un composite unidirectionnel à matrice AG10 renforcée par des fibres de carbone à très haut module K139, dans le but d'obtenir un compromis acceptable entre les contraintes à rupture en sens longitudinal et en sens travers. Une comparaison entre les modèles physiques de prédiction des contraintes et une analyse statistique des résultats d'essais mécaniques en fonction des conditions d'élaboration a été effectuée. Compte tenu de l'expérience et des résultats acquis, plusieurs voies ont été suggérées pour approfondir ce travail, et l'utiliser dans la construction aéronautique et spatiale.

L'objectif de ce travail est de contribuer à l’amélioration des mécanismes d’imprégnation d’un renfort fibreux par une résine polymère dans les procédés de mise en œuvre de matériaux composites de type LCM (Liquid Composite Molding). Les études théoriques et expérimentales réalisées se sont focalisées sur les anomalies d'imprégnation pouvant apparaître lors des écoulements. Les défauts couramment observés sont des vides pouvant s'assimiler à des bulles et provenant, en partie, d’une compétition entre les régimes gouvernant les écoulements intra-mèche et inter-mèches. L'analyse de la formation et du transport des bulles au sein d’une structure fibreuse demeure délicate à réaliser du fait de l’architecture complexe de la préforme. Afin de s'exonérer des difficultés rencontrées lors de la visualisation au sein du renfort et pour répondre à cette problématique de vide créé, nous avons fait le choix d’étudier les mécanismes d’imprégnation ainsi que la formation et le transport de bulles dans des réseaux modèles. Une analyse multi-échelles a été adoptée pour nos expérimentations faisant appel à une approche micro et millifluidique où les forces de mouillabilité sont prépondérantes. Les résultats obtenus montrent, dans un premier temps, l’influence de ces forces dans les mécanismes de génération et de transport de bulles et permet de justifier certaines observations proposées dans ce sujet. Un modèle simple basé sur des configurations d’inter-connectivités micropore/macropore a été proposé. Ce modèle permet d’envisager différentes analyses paramétriques selon des configurations géométriques et des régimes d'écoulement variés. Sur cette base, il est possible de prendre en compte différents facteurs et de les comparer à certaines contributions de la littérature dans le domaine de l’imprégnation des milieux fibreux et de la mise en œuvre des composites.