FR2647054A1

FR2647054A1 - Structure metal-ceramique avec couche intermediaire barriere de reaction a temperature elevee

Info

Publication number: FR2647054A1
Application number: FR9005581A
Authority: FR
Inventors: Herman Frederick Nied; Richard Lloyd Mehan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-05-18
Filing date: 1990-05-03
Publication date: 1990-11-23
Also published as: GB2234239B; GB9009107D0; IT9020327A1; IT9020327A0; DE4015218A1; JPH0388783A; CA2009600A1; IT1241143B; US5200241A; GB2234239A; US5290333A

Abstract

On lie une couche de céramique de SiC-Si à un substrat de SiC non poreux, en attaquant le Si de la couche pour former une surface relativement poreuse sur le substrat de SiC hautement résistant, par ailleurs non poreux. On ramollit une couche de quartz en la chauffant et on la fait pénétrer par force dans les pores de la couche poreuse pour former une liaison mécanique avec le substrat de SiC. On lie une couche de métal réfractaire à la couche de quartz pour compléter le joint. On lie ensuite un composant support en métal réfractaire à la couche réfractaire de sorte que le quartz sert de barrière de réaction à température élevée, hautement résistante, entre le métal de la couche réfractaire et le silicium du substrat de SiC. La combinaison de matériaux permet d'obtenir un joint résistant à des températures élevées et à des pressions élevées comme, par exemple, dans un échangeur de chaleur.

Description

i

STRUCTURE METAL-CERAMIOUE AVEC COUCHE INTERMEDIAIRE

BARRIERE DE REACTION A TEMPERATURE ELEVEE

Cette invention concerne des structures pour

l'assemblage de métaux et de substrats en céramique.

L'assemblage d'une structure métallique et d' un

substrat en céramique est actuellement d'un grand intérêt.

Les matériaux céramiques assurent une inertie chimique envers des environnements corrosifs ou oxydants, un renforcement et une rigidité & température ambiante et élevée et d'autres propriétés que ne présentent pas d'autres matériaux. Le métal apporte des propriétés complémentaires de résistance élevée de sorte que le système céramique-métal permet d'obtenir des avantages technologiques qu'il ne serait pas possible d'avoir avec la

céramique ou le métal seul.

On se heurte à des difficultés particulières dans des conditions de température élevée-contraintes élevées. Dans certaines applications concernant des échangeurs de chaleur, les tubes de l'échangeur de chaleur doivent supporter des températures élevées, par exemple comprises entre 750 et 1000 C et des pressions internes élevées, par exemple de 10,34 Mpa. Il est connu que les matériaux céramiques sont supérieurs aux métaux dans ce domaine. Les fluides à température élevée passant à travers les tubes d'un échangeur de chaleur ont tendance à provoquer une oxydation excessive si les tubes sont en métal. Même les métaux réfractaires à température élevée s'oxydent fortement à des températures à l'intérieur de l'écart de températures indiqué. Les tubes en céramique

sont donc plus recommandés.

On se heurte toutefois à une difficulté lorsque l'on utilise des tubes en céramique. Toutes les céramiques ne sont pas capables de supporter des températures comprises entre 750 et 1000'C. La demanderesse reconnaît que les céramiques à base de silicium peuvent supporter ces températures. Une solution consiste donc à fixer des tubes en céramique à base de silicium à des structures supports en métal réfractaire. Mais on sait que l'exposition de joints directs métal-céramique pendant des périodes relativement longues à des températures supérieures à 700-C dans un environnement oxydant a pour effet de nuire sérieusement à la qualité de toute liaison de ce type. Même en présence d'une atmosphère externe inerte, à des températures supérieures à 700C, on sait que de violentes réactions métal-céramique se produisent entre des céramiques de structure à base de silicium, comme du carbure de silicium et du nitrure de silicium et la plupart des métaux. Ces réactions produisent des siliciures qui affaiblissent sérieusement le joint lié. Les siliciures sont relativement fragiles et ont donc tendance à se casser sous les contraintes induites par les hautes pressions du système. L'assemblage de métaux et de céramiques fait toutefois l'objet d'études en cours à long terme visant à

combiner ces matériaux pour des applications particulières.

On traite de l'assemblage de systèmes céramiques-métaux, par exemple, dans Encyclopedia of Materials Science and Engineering, (encyclopédie de la science et de l'industrie des matériaux), Volume 4, 1986, pages 24632467, dans un article intitulé "Joining of Ceramic-Metal Systems: General Survey (Assemblage de systèmes céramiques-métaux: rapport général)" de V. A. Greenhut et dans un article intitulé "Joining of Ceramic-Metal Systems; Procédures and Microstructures (Assemblage de systèmes céramiques-métaux:

procédure et microstructures)" de J.T. Klomp, pages 2467-

2475. Bien que ces articles abordent généralement les difficultés qu'il y a à assembler un métal ou un verre et des substrats en céramique, ils ne traitent pas de l'obstacle que constituent des conditions de température élevée, de contraintes élevées, auquel s'attaque la présente invention et particulièrement de la manière d'assembler un métal et une céramique capable de supporter des températures élevées comprises entre 750 et 1000 C. On

trouve encore d'autres descriptions de joints

céramiques/métaux pour des applications de structures dans un article intitulé "Ceramic/Metal Joining for Structural Applications (assemblage céramique/métal pour des applications de structure)" de Nicholas et autres Material Science and Technolocy, (Science et Technologie des Matériaux), Septembre 1985, Volume 1, Pages 657-665. Cet article ne traite pas non plus des difficultés dues aux températures élevées - contraintes élevées abordées par la demanderesse. Dans l'article de l'encyclopédie de Greenhut, par exemple, les mécanismes de liaison décrits page 2464

concernent la liaison métal-céramique ou verre-céramique.

L'article décrit une liaison mécanique dans laquelle un verre ou un métal liquide peut pénétrer dans des pores ou dans des cavités du solide pour augmenter la liaison

mécanique à cause de la nature imbriquée de la structure.

On traite également d'une liaison chimique de la céramique, la liaison chimique métal-céramique étant difficile. On

peut assembler du verre et un revêtement d'oxyde de métal.

Toutefois, le verre dont on parle dans tous les cas est de type à basse température qui n'est normalement pas capable de supporter les conditions de température élevée d'un échangeur de chaleur du type décrit plus haut. On n'aborde pas du tout la difficulté concernant le siliciure métallique. Page 2465, l'article indique que certains métaux réfractaires conviennent pour être utilisés dans des joints avec des céramiques, mais seulement lorsque leur résistance à l'oxydation n'est pas à l'origine de difficultés. Bien évidemment, des températures de 750 à 1000lC sont à l'origine de ce type de difficultés. D'une manière générale, l'article décrit plusieurs procédés de liaison métal-céramique dans le paragraphe 5, pages 2465 et suivantes. On utilise ces procédés pour produire un revêtement de métal convenant pour des procédés de brasage de métaux. On indique qu'il s'agit du procédé le plus courant pour produire un joint céramique-métal. Un joint brasé ne peut toutefois pas supporter des températures comprises entre 750 et 1000 C. On décrit diverses autres techniques de métallisation mais qui ont toutes implicitement pour but de produire un revêtement métallique convenant pour un brasage ultérieur. Par exemple, page 2466, l'article décrit l'utilisation de verres de céramique et de verres frittés de température de ramollissement peu élevée pour assembler des céramiques entre elles et avec des métaux. L'article ne dit rien, toutefois, sur ce qu'il

faut faire dans des conditions de températures élevées.

L'article de Klomp souffre d'inconvénients similaires.

Dans l'article de Nicholas et autres, page 664, on décrit beaucoup de joints fabriqués en utilisant des agents de liaison intermédiaires. Ces agents de liaison intermédiaires reposent toutefois sur l'utilisation de verres frittés à basse température et de techniques de brasage qui sont d'un usage très répandu. Les verres frittés constituent un matériau qui présente une température de ramollissement inférieure à 600'C et qui n'est donc pas capable de résister aux températures relativement élevées de 1000-C. La difficulté que la présente invention a donc à surmonter concerne des

applications à haute température, haute pression dans.

lesquelles on emploie une céramique de structure comme du carbure de silicium ou du nitrure de silicium et on lie un métal à cette céramique de façon à ce que la liaison ne se détériore pas à cause de différences de coefficients de dilatation thermique (CTE) ou de réactions chimiques qui se produisent normalement à l'interface céramique-métal. La demanderesse se rend compte qu'il est nécessaire de trouver une structure métal-céramique qui soit capable de supporter des températures relativement élevées et des pressions élevées sans encourir de rupture par réaction chimique ou mécanique du joint. La formation d'une structure conformément à la présente invention comprend la formation d'un substrat en céramique à base de silicium et la fixation d'une couche de

verre au substrat, sachant que le verre présente une tempé-

rature de ramollissement d'au moins environ 7500C. Le verre sert de barrière à toute réaction chimique entre un élément métallique fixé à lui et le silicium du substrat. On lie un

élément en métal réfractaire à la couche de verre.

Dans une réalisation, l'élément métallique est un matériau réfractaire et le verre est du quartz, par exemple de la silice fondue. Cette structure peut supporter les contraintes produites par des différences de pression relativement élevées, par exemple des différences de pression de plus de 10,34 MPa et des températures relativement élevées de 750 C et plus sans rupture chimique

ou mécanique du joint.

La suite de la description se réfère aux figures

annexées dans lesquelles: LA FIGURE 1 est une vue en coupe d'une structure métal-céramique résistante à haute température conforme à une réalisation de la présente invention; et LA FIGURE 2 est une vue en coupe verticale de la structure métal-céramique correspondant à la réalisation de la Figure i dans laquelle on a fixé un tube en céramique à

un support.

On représente dans la Figure 1 une partie d'un

composant en céramique de structure 10 qui peut résister à.

des cycles de température, par exemple entre 0'C et 1000 C, sans subir de rupture par choc thermique ou de rupture par contrainte thermique du joint 12. Le joint 12 assemble un substrat en céramique 14 et un élément métallique 16. A température élevée, par exemple à environ 750 C ou plus et, de préférence à 800 C, le joint 12 empêche la réaction de l'élément métallique 16 avec le matériau constituant le substrat 14 et résiste aux contraintes de tension induites par des différences de pression entre environ 10,34 MPa et la pression atmosphérique. Le substrat 14 est une céramique à base de silicium qui peut être, par exemple, du carbure de silicium ou du nitrure de silicium. Ces matériaux sont capables de supporter des températures élevées de 750 C ou plus sans subir de détérioration. Par exemple, des céramiques à base d'alumine ont tendance à se ramollir à des températures de 800 C ou plus de sorte que le module d'élasticité diminue de manière importante. Le substrat en céramique 14 présente, de préférence, une porosité relativement faible pour des applications o une résistance élevée est nécessaire. Un matériau de carbure de silicium présente, par exemple, une résistance à la traction d'environ 137,8 MPa. On peut, par exemple, fabriquer un matériau de carbure de silicium en frittant une poudre par compression isostatique à chaud pour éliminer la porosité comme cela est nécessaire pour produire un matériau de résistance élevée. La faible porosité du substrat 14 interdit donc la liaison mécanique directe d'un élément métallique, comme l'élément 16, au substrat, comme on le décrit dans l'article de l'encyclopédie indiqué dans l'introduction. On indique dans ces articles, que pour la liaison mécanique dont ils traitent, on peut fixer du verre ou du métal liquide à une surface rugueuse en faisant pénétrer le fluide dans des pores ou des cavités du solide pour obtenir une liaison

mécanique grâce à la nature imbriquée de la structure.

De plus, la composition du substrat 14 est limitée par la nécessité que le substrat conserve ses propriétés à des températures au-dessus de 750 C. Par exemple, l'article de Nicholas et autres, indiqué dans l'introduction, page 658, décrit la liaison de verres et de métaux à des céramiques par liaison par fusion. Comme on l'indique dans ce document, la gamme de matériaux que l'on peut lier par fusion est limitée. Comme on l'indique encore dans ce document, les points de fusion et les propriétés de contraction thermique, non seulement du métal et de la céramique mais également du matériau complexe formé dans la zone de liaison, doivent être idéalement proches. L'article indique qu'il est difficile d'atteindre-cette similarité en pratique et que certaines céramiques comme BN, SiC, Si3N4, se subliment ou se décomposent avant la fusion alors que d'autres comme MgO se vaporisent rapidement une fois

fondus. De plus, lors du refroidissement, des transforma-

tions entraînant des ruptures de phases peuvent se produire

dans certaines céramiques.

On présente dans le Tableau 1 de l'article de Nicholas et autres différentes propriétés de certaines céramiques et de certains métaux. Bien que les diverses céramiques décrites dans le Tableau 1 présentent des points de fusion relativement élevés, une difficulté subsiste avec la sublimation ou la décomposition de certaines des céramiques à des températures nettement inférieures à leurs points de fusion. Pour cette raison, on utilise pour le substrat 14, de la Figure 1, pour empêcher la sublimation et la décomposition à des températures d'environ 750 C ou plus, des substrats à base de silicium qui ont tendance à résister à des contraintes structurales et qui sont également capables de résister à des températures d'environ 750C ou plus sans se sublimer. Comme on l'a indiqué dans l'introduction, on se heurte toutefois avec le substrat à base de silicium à une difficulté qui réside dans la capacité potentielle de former des siliciures lorsqu'on lie directement un élément métallique, comme l'élément 16, à ce type de substrat. C'est pour cette raison que l'on crée la structure de joint 12 qui sert de barrière de réaction s'opposant à la réaction du métal de l'élément 16 avec le silicium du substrat 14 afin d'empêcher la formation de siliciures et donc l'affaiblissement du joint formant la liaison entre les deux matériaux. Le joint 12 comprend une couche 18 de substrat de SiC-Si qui est liée à la surface 20 du substrat à base de silicium 14. On peut lier la couche de SiC-Si 18 au substrat 14 en utilisant une technologie connue pour obtenir un joint hautement résistant parce que la couche 18 et le substrat 14 sont constitués par des matériaux

pratiquement similaires, c'est-à-dire SiC.

La liaison de la couche 18, qui peut, par exemple, présenter une épaisseur d'un millimètre ou moins, au substrat 14, a pour but de fournir une surface poreuse au substrat relativement non poreux 14. Pour créer une surface poreuse, on attaque le silicium dans la couche de SiC-Si 18 pour obtenir un substrat poreux dans les régions de la couche occupée antérieurement par le Si. On décrit de manière plus détaillée l'attaque d'un matériau de céramique à base de silicium dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique N 4 109 050. Comme on le décrit dans ce brevet, on peut utiliser des solutions d'attaque parmi lesquelles on peut citer, par exemple, des mélanges d'acides chlorhydrique et nitrique. On traite la céramique à base de silicium avec le décapant pour enlever d'au moins 0, 025 mm à 0,25 mm du silicium de la couche de céramique à base de silicium 18. Lorsque l'on a éliminé par rinçage le décapant de la surface de la céramique à base de silicium, la couche 18 résultante est un matériau rendu rugueux dont les pores sont nettement plus grands que les pores du substrat 14 que l'on n'a pas attaqué. Le décapant n'a pas d'effet sur le silicium dans le substrat 14 et enlève seulement

la partie silicium en excès de la couche de SiC-Si 18.

On obtient ainsi une surface poreuse rendue rugueuse 22 sur la structure composite formée par le substrat 14 et la

couche 18.

On chauffe une couche de silice fondue 24, plus communément appelée quartz ou silice vitreuse, jusqu'à sa température de ramollissement, par exemple à environ

1670'C. La couche 24 est amorphe plutôt que cristalline.

Comme elle est amorphe, la couche 24 a tendance à se ramollir progressivement lorsque la température augmente au lieu de présenter un point de fusion bien localisé comme c'est le cas pour une structure cristalline. La silice

fondue présente les propriétés indiquées dans le Tableau 1.

TABLEAU 1

Tramollissement 1670 C (on peut la faire s'écouler) Tfigeage = 1310 C (comportement solide au-dessous de cette température) Tg = 1150 C (comportement ne dépendant pas du temps au-dessous de cette température) a = 5,5 x 10-7/C On comprime ensuite la couche de silice fondue chauffée ramollie 24 contre la surface rendue rugueuse 22 de la couche attaquée 18. La silice fondue ramollie s'écoule dans les interstices des pores de la couche attaquée 18 et y forme*t une liaison par imbriquement de manière un peu similaire au procédé décrit dans l'article de l'encyclopédie mentionné plus haut de Greenhut. La couche 24 peut présenter une épaisseur comprise entre environ 1 et 2 mm. La profondeur des pores dans la surface

22 peut être de l'ordre d'environ 0,025 mm à 0,25 mm.

La structure composite comprenant le substrat 14, la couche 18 et la couche 24 comprend une couche de silice fondue 24 fixée mécaniquement au substrat 14 par la couche 18. On lie une couche métallique 26 de métal réfractaire choisi dans le groupe constitué par le molybdène, le tungstène, le titane et le tantale à la surface 28 de la couche 24. Pour lier la couche réfractaire 26 à la couche 24 il est nécessaire d'oxyder la surface de la couche métallique 26 à l'interface de façon à ce qu'on ait un bon mouillage entre les surfaces de métal et de silice fondue. On décrit ce procédé de manière plus détaillée dans l'Encyclopédie et les articles de Nicholas mentionnés plus haut. Comme on l'indique dans l'article de l'Encyclopédie page 2463, pour l'assemblage verre-métal, il est courant de pré-oxyder le métal. La couche d'oxyde résultante est compatible avec le verre fluide, peut abaisser l'énergie interfaciale solide-liquide et favorise

donc le mouillage.

Le joint résultant 12 est relativement insensible à de grandes fluctuations de température, par exemple de 0 à 1000"C et peut supporter de grandes fluctuations soudaines de température à l'intérieur de cet écart sans rupture ou autre affaiblissement de la liaison de la couche de métal 26 au substrat 14. Il est nécessaire que le joint 12 résiste non seulement à des cycles thermiques répétitifs mais au choc thermique au cours duquel la température change radicalement et rapidement à l'intérieur de l'écart voulu. L'élément 16, qui peut être constitué par un métal réfractaire, peut également être fait d'autres métaux. On lie l'élément 16 par fusion ou

autre à la couche 26 à l'interface 30. La liaison métal-

métal comme à l'interface 30 est connue et il n'est pas

nécessaire de la décrire davantage ici.

Bien que l'on ait représenté ici une couche de

silice fondue 24, pour donner un exemple, on peut utiliser.

d'autres verres inorganiques pour former une couche barrière appropriée dans la mesure o ils satisfont à l'exigence de ne pas réagir aux températures élevées avec le substrat en céramique 14 ou de ne pas former de siliciures gênants avec le substrat 14. On peut accélérer l'infiltration de la couche de verre 24 dans les pores de la couche 18 en produisant un gradient de température dans la structure composite substrat 14 - couche 18 pour faciliter encore l'écoulement de la couche 24 plus profondément dans les interstices des pores de la couche 18. Après refroidissement de la couche 24, la silice fondue qui s'est infiltrée dans les pores de la céramique assure une prise mécanique efficace qui n'est pas dégradée par une réaction chimique défavorable. La couche de silice fondue 24 après s'être écoulée dans la couche 18 est une couche de composition progressive & cause du mélange non-homogène céramique - silice fondue dans la région poreuse. Les propriétés mécaniques dans la couche 18 seront donc une moyenne des propriétés de la silice fondue et des propriétés de la céramique du substrat 14. Il existe donc un gradient de propriétés dans le matériau proportionnel au rapport silice fondue céramique variant de la céramique pure à l'interface avec la céramique au niveau de la surface 20 à la silice fondue pure à l'interface silice

fondue - métal au niveau de la surface 28.

Si on suppose que la couche 26 est constitué par un alliage de molybdène, le CTE de ces alliages est très proche de celui de la couche 24 de manière à réduire au maximum la rupture par contrainte due au choc thermique et aux différences de CTE des différents matériaux. On donne dans le Tableau II ci-dessous les différentls CTE de divers matériaux.

TABLEAU II

MATERIAU CTE (a) Silice fondue - 5,5 x 10-7/ C Borosilicate - 40 x 107/'C Silicate de chaux-soude - 95 x 10-7/C Sic - 40 x 10o7/-c Molybdène 56 x 10 7/ C Tantale - 65 x 10 7/ C Tungstène - 45 x 10-7/ec Titane - 94 x 10 7/ C Comme on peut le voir d'après le Tableau II, le CTE varie entre 5,5 x 10-7/*C pour la silice fondue et 94 x 10-7/ C pour le titane. Il faut le comparer à une variation d'environ 50 x 10 7/'C entre la silice fondue et le molybdène et d'environ 35 x 10 7/*C entre la silice fondue et SiC. On pense qu'un écart d'environ 50 x 10-7/-C constitue l'écart maximum acceptable de a entre les différentes couches. En ce qui concerne le titane, on devra utiliser un matériau intermédiaire, comme du molybdène, entre le titane et la silice fondue. Si la couche de titane est suffisamment mince, les différences de dilatation

thermiques pourront être acceptables. En raison des varia-

tions de température extrêmes auxquelles la présente structure peut être exposée, par exemple entre 0 C et 1000 C, il est important que les CTE des différents matériaux soient proches pour éviter la rupture sous contrainte des différentes couches à leurs interfaces, due aux dilatations et aux contractions thermiques différentes

aux différentes températures.

Dans certaines réalisations, on peut lier la

silice fondue à un métal présentant un coefficient de dila-

tation thermique relativement élevé comme le titane, auquel cas le titane entourera le verre de manière à ce que le

verre subisse une compression à température ambiante.

C'est-à-dire que lorsque la température augmente, on utilise la dilatation supérieure du titane pour relacher les forces de compression sur la couche de verre intérieure de sorte que la tension soit négligeable à l'interface verre-titane. En d'autres termes, à température élevée, les contraintes sont négligeables entre le titane et la couche de verre de sorte que lorsque le titane refroidit il a tendance à subir un retrait plus important que le verre, mettant le verre sous compression. On peut changer

profondément l'état de contraintes dans les liaisons verre-

métal, comme cela est connu, en profitant de la nature visco-élastique du verre. On dispose, par exemple, de diverses techniques de recuit pour réajuster ou diminuer des répartitions de contraintes défavorables dans un joint comme le joint 12. On peut également utiliser le comportement visco-élastique pour augmenter les réactions à température élevée du joint 12 puisque la couche de verre peut, à température élevée, en raison du ramollissement, se comporter un peu comme un amortisseur envers le choc et les vibrations. La couche poreuse 18 peut également servir

d'amortisseur ou de structure absorbant les chocs.

On a représenté dans la Figure 2, une réali-

sation de la structure de la Figure 1 dans laquelle on fixe un tube en céramique 200 à un raccord en métal réfractaire 202 dans un échangeur de chaleur à haute température, haute

pression. Le tube 200 est constitué par des matériaux simi-

laires aux matériaux du substrat 14 dans la Figure 1. Le raccord 202 peut être constitué par un métal réfractaire ou

un autre élément métallique selon l'application voulue.

Lorsque l'environnement de la structure de la Figure 2 est soumis à des variations de température d'environ 1000'C, le raccord 202 est de préférence constitué par un métal réfractaire. Au-dessus de 1000'C, même les métaux

réfractaires s'oxydent fortement et deviennent inadaptés.

Le joint 204 présente une structure similaire à celle du joint 12 dans la Figure 1, structure dans laquelle une couche de céramique de structure résistante à haute température poreuse 206 est liée au tube de céramique 200 et une couche de verre 208 comme une couche de silice fondue est fixée à la couche de céramique poreuse 206. Le raccord 202 peut être lié directement à la couche de verre 208 ou peut être lié à la couche 208 par une couche de métal réfractaire intermédiaire relativement mince comme la couche 26 dans la Figure 1, non représentée dans la Figure 2. On peut ensuite fixer le raccord 202 par soudage, liaison ou par un autre moyen mécanique à une structure

support 210.

Le tube 200 est utile dans un échangeur de chaleur dans lequel passe un fluide comme un gaz, à des températures relativement élevées, par exemple de 1000C et à des pressions élevées, par exemple de 10,34 MPa. Ces pressions élevées ont tendance à créer des contraintes de traction dans le joint 204. Ces contraintes de traction ont tendance à provoquer une action de cisaillement entre le raccord 202 et le tube 200. La combinaison de matériaux 204, telle qu'on l'a décrite pour le joint 12 de la Figure 1, résiste à cette action de cisaillement et fournit un joint de structure résistant à des contraintes élevées, à température élevée, dont on ne disposait pas précédemment

dans les structures de l'art antérieur.

Il faut comprendre que le terme d'élément tel

qu'on l'emploi dans les revendications s'applique soit à un

élément de structure comme le raccord 202 soit à une couche relativement mince comme la couche 26, respectivement dans

les Figures 2 et 1.

Claims

REVENDICATIONS

1. Structure métal-céramique résistante à température élevéecaractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat en céramique à base de silicium; une couche de verre fixée au substrat, le verre présentant une température de ramollissement supérieure à environ 750C; et un élément métallique lié à la couche de verre, élément présentant un point de fusion supérieur à environ 1000 C, le substrat, le verre et l'élément présentant tous des coefficients de dilatation thermique (CTE) suffisamment proches pour empêcher la rupture sous contraintes de la

structure lors des cycles thermiques.

2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le verre est choisi dans le groupe

constitué par de la silice fondue et du borosilicate.

3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément se compose d'un métal réfractaire.

4. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de verre présente une

épaisseur comprise entre environ 1 et 2 mm.

5. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le verre est choisi dans le groupe constitué par du borosilicate et du quartz et le métal est choisi dans le groupe constitué par du tungstène, du

molybdène, du titane et du tantale.

6. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat en céramique comprend un substrat de SiC auquel on a lié une couche de SiC-Si dans laquelle on a pratiquement enlevé le Si pour former une couche poreuse, une partie de la couche de verre pénétrant

dans les interstices de la couche poreuse.

7. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat est un tube et l'élément

est capable de fixer le tube a un support.

8. Structure composite / caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat en céramique & base de silicium; une couche de céramique à base de silicium liée au substrat et poreuse par rapport au substrat; une couche de verre fixée au substrat par les interstices des pores de la couche de céramique et présentant une température de ramollissement d'au moins environ 750C; et un élément en métal réfractaire lié à la couche de verre, le verre servant de barrière de réaction chimique pour empêcher les réactions entre l'élément et le substrat, réactions qui ont tendance à affaiblir la liaison de

l'élément au substrat.

9. Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'on forme la couche poreuse de céramique à base de silicium en attaquant le Si dans la couche, le Si enlevé produisant des pores de taille relativement grande dans la couche attaquée par rapport à

la taille des pores dans le substrat.

10. Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que le verre est choisi dans le groupe

constitué par la silice fondue et la borosilice.

11. Structure pour fixer un élément en céramique à un support, caractérisée en ce qu'elle comprend: un élément ayant un corps non poreux choisi dans le groupe constitué par du carbure de silicium et du nitrure de silicium et présentant une surface relativement poreuse; une couche de verre fixée aux pores de la

surface poreuse et présentant une température de ramollis-

sement d'au moins environ 750 C et un coefficient de dila-

tation thermique (CTE) suffisamment proche du CTE de l'élément pour empêcher la rupture sous contraintes de l'interface verre-élément lorsqu'il est exposé à des excursions thermiques pouvant aller jusqu'à environ 1000 C; un métal réfractaire lié à la couche de verre; et un élément support lié au métal réfractaire et

capable de fixer l'élément au support.

12. Structure selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'élément est un tube capable de

recevoir un fluide dans un système d'échangeur de chaleur.

13. Procédé de fabrication d'une structure métal-céramique caractérisé en ce que qu'il comprend: la liaison d'une couche de céramique à base de silicium -Si à un substrat en céramique à base de silicium; l'attaque du Si du substrat à base de silicium -Si pour produire une surface relativement poreuse sur le substrat; le chauffage d'une couche de verre et l'écoulement du verre chauffé dans les pores attaqués de la surface poreuse, le verre présentant une température de ramollissement d'au moins environ 750*C; et la liaison d'un élément en métal réfractaire au verre.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape de liaison comprend la fixation d'une structure support métallique à l'élément de métal.

15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le chauffage de la couche de verre

comprend le chauffage d'une couche de silice fondue.

16. Procédé de fabrication d'une structure céramique - métal caractérisé en ce qu'il comprend: la création d'une surface relativement poreuse sur un substrat non poreux en céramique à base de silicium; l'infiltration'd'une couche de verre présentant une température de ramollissement d'au moins environ 750 C dans les pores de la surface; et la liaison d'un élément en métal réfractaire à la couche de verre.

17. Structure métal - céramique résistante à température élevée/caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat en céramique à base de silicium présentant une surface poreuse; une couche barrière de réaction fixée à la surface poreuse pour empêcher la réaction entre un élément métallique et le silicium du substrat à une température élevée d'au moins environ 750 C; et un élément en métal réfractaire fixé à la couche

barrière.