Caractéristiques et applications des matériaux à base de molybdène

Il existe un lien inextricable entre les propriétés des matériaux et leurs applications. Pour certaines applications, une certaine propriété, telle que la conductivité électrique, est critique. Pour d’autres applications, un certain matériau constitue le meilleur choix en raison de ses bonnes propriétés globales. Le mot « optimal » est important dans ce contexte car il signifie que même si d'autres matériaux peuvent présenter des avantages dans une ou deux propriétés, le matériau sélectionné offre le meilleur pour les divers problèmes de conception technique rencontrés par le matériau spécifique de la pièce. solutions globales. Parfois, la meilleure solution n'est pas un matériau unique, mais une combinaison ou un composite de plusieurs matériaux, permettant aux concepteurs d'adapter les propriétés souhaitées pour relever les défis présentés par une application spécifique. Quoi qu’il en soit, les solutions qui se démarquent finalement de la concurrence sont celles qui sont rentables. Cela signifie que des matériaux tels que le molybdène métallique sont très chers selon les normes courantes en matière de matériaux d'ingénierie, mais ils doivent démontrer des avantages significatifs par rapport aux matériaux concurrents.

Le tableau 1 résume les compositions chimiques nominales des matériaux à base de molybdène vendus vers 2012. Le tableau comprend les alliages à base de molybdène et les composites de molybdène avec d'autres matériaux. Les alliages de molybdène ont une résistance supérieure à celle du molybdène pur et peuvent maintenir cette résistance à des températures plus élevées que le molybdène pur. Les pièces en alliage dans le tableau sont subdivisées en sous-tableaux « de remplacement », « stables au carbure » ​​et « renforcés par dispersion ».

Tableau 1

Les alliages de substitution constituent la classe d’alliages la plus simple. Parmi eux, les atomes d'alliage remplacent les atomes de molybdène sur la structure cristalline cubique centrée sur le corps (BCC) de l'alliage (Figure 1). Lorsque des atomes d'alliage remplacent des atomes de molybdène, cela provoque une contrainte dans le réseau cristallin, ce qui augmente la résistance du matériau.

La figure 1 montre la disposition des atomes de molybdène sur un réseau cristallin représenté par une cellule unitaire « centrée sur le corps », avec des atomes situés aux quatre coins et au centre.

Figure 1

La réplication de cette cellule unitaire face à face dans un espace tridimensionnel formera un cristal complet. Bien que l'alliage puisse augmenter la résistance, la principale méthode de renforcement du molybdène est de toute façon la déformation mécanique, généralement par laminage standard, forgeage par rotation ou déformation qui peut augmenter la résistance du molybdène jusqu'à quatre fois, en fonction de l'ampleur de la déformation appliquée. Pour les matériaux traités en profondeur tels que le fil machine, des facteurs d'augmentation encore plus élevés sont possibles. Le recuit supprime les effets de l'usinage et restaure sa résistance. La température maximale de service des alliages alternatifs peut être légèrement supérieure à celle du molybdène pur. Cependant, pour augmenter considérablement la résistance à haute température, les métallurgistes ont recours à d’autres méthodes d’alliage.

Les alliages stabilisés au carbure contiennent de petites particules de carbure métallique réactif dans une matrice de molybdène. Ils bénéficient également d'une petite quantité d'alliages alternatifs fournis par des métaux réactifs qui ne sont pas présents sous forme de carbures, ainsi que d'un durcissement interstitiel supplémentaire dû au carbone et aux éléments. Atomes d'oxygène dans des particules non carbures. Cette combinaison maintient la résistance du molybdène à des températures plus élevées que le molybdène pur ou de simples alliages de remplacement, car les fines particules forcent le processus de récupération à se produire à des températures plus élevées. Le processus de production est un facteur clé du succès de ces alliages. Le processus doit garantir que le métal actif et le carbone sont d'abord dissous dans la matrice de molybdène, puis précipités dans la phase finement dispersée requise lors des processus ultérieurs.

Les alliages renforcés par dispersion utilisent des oxydes comme deuxième phase, ou dans le cas de matériaux Al/K/Si dopés, utilisent des phases d'éléments dispersés qui sont insolubles dans la matrice de molybdène. Dans ce cas, des particules très petites et stables de la seconde phase doivent être présentes dans le matériau au début du processus de déformation. Le but du traitement est de créer un arrangement spécial de ces particules qui se traduit par une résistance et une stabilité extraordinaires à haute température.

Les matériaux composites peuvent être divisés en deux catégories : les matériaux composites stratifiés et les matériaux composites en poudre. Les stratifiés sont fabriqués par calandrage de composites combinant du cuivre ou du nickel avec du molybdène dans un noyau. Les composites en poudre sont produits par mélange/pressage/frittage (parfois par pressage isostatique à chaud). pressage (HIP, densification) ou infiltration en phase liquide.

Le tableau 2 référence certaines fonctions et applications, en soulignant les fonctions importantes de chaque application. Seules certaines fonctionnalités ou applications sont répertoriées ici. Les caractéristiques de fabrication telles que l'aptitude au traitement et à la formabilité jouent un rôle important dans la décision économique de fabriquer une pièce spécifique, mais le choix des matériaux de base est déterminé par les exigences de l'application. Il ressort clairement du tableau qu’aucune application n’est construite autour d’un seul composant. Par exemple, les dissipateurs thermiques pour semi-conducteurs de puissance doivent avoir un certain coefficient de dilatation thermique pour minimiser les contraintes thermiques pendant le fonctionnement, mais ils doivent également conduire efficacement la chaleur et l'électricité, car leur travail nécessite également qu'ils non seulement transmettent le courant, mais qu'ils transportent également l'électricité. . Chaleur des semi-conducteurs. Si le dispositif de puissance est utilisé dans un avion ou un vaisseau spatial, la densité deviendra un facteur plus important que s'il faisait partie d'un grand dispositif de contrôle de puissance de moteur fixe.

 Tableau 2

Par conséquent, il faut considérer « l’ensemble » des propriétés lors de l’adaptation des matériaux aux applications. Une fois que l'ensemble des propriétés requises pour une application particulière est compris, l'alliage ou le composite approprié peut être sélectionné pour cette application. Lorsqu’aucun matériau n’est facilement disponible – Lorsque des matériaux manufacturés sont disponibles, on peut envisager de développer un nouveau matériau doté d’une gamme de propriétés personnalisées. Pour prendre cette décision, il est nécessaire de comprendre les matériaux concurrents ainsi que leur coût, leur disponibilité et leur fiabilité par rapport aux matériaux à base de molybdène.

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