Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
1
"Procédé amélioré de préparation de composites à
matrice métallique et dispositif de mise en uvre d'un
tel procédé"
La présente invention concerne un procédé de
préparation de Composites à Matrice Métallique (CMM).
L'invention concerne également un dispositif
permettant de mettre en ozuvre un tel procédé.
Les CMM peuvent être des alliages d'aluminium
renforcés par des particules telles que, par exemple, des
particules de carbure de silicium, de carbure de bore,
d'alumine, ou tout autre matériau céramique.
Les CMM sont principalement utilisés pour la
fabrication de pièces métalliques dans le domaine de
l'aéronautique telles que des pièces de rotor pour les
hélicoptères.
Le matriçage des pièces en CMM est effectué à
partir de billettes de plusieurs dizaines de kilos qui
sont obtenues par compaction de poudres préalablement
mélangées.
Dans certains procédés connus, l'étape principale
de compaction est réalisée par pressage uniaxial
conduisant à la formation de strates dans les billettes
ce qui est désavantageux pour les propriétés mécaniques
des pièces métalliques obtenues à partir de ces
billettes.
En effet, il est nécessaire que chaque billette
présente une répartition la plus homogène possible des
éléments la constituant, et notamment les particules
renforçantes, afin que les pièces fabriquées à partir de
ces billettes présentent les propriétés mécaniques
requises.
Enfin, la simplicité d'un procédé d'un procédé de
fabrication de CMM est nécessaire afin de limiter les
coûts de production de ces CMM.
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
2
Le procédé de l'invention permet de pallier les
inconvénients précités et est essentiellement
caractérisée en ce qu'il comprend au moins les étapes
de .
(a)compaction isostatique à froid de poudres
préalablement mélangées 5, et de
(b) pressage uniaxial à chaud du compact 12 obtenu à
l'étape (a).
Ces deux étapes permettent de réaliser à moindre
coût un CMM à propriétés mécaniques améliorées.
Avantageusement, les poudres sont mélangées à sec
dans un mélangeur approprié soumis à un gaz sous pression
comprenant un gaz neutre et de l'oxygène.
Le mélange des poudres à sec présente l'avantage
d'être plus économique qu'un procédé de mélange par voie
humide et la présence d'un gaz neutre permet d'éviter les
risques d'explosion présents lors d'un mélange à sec.
De préférence, la pression dans le mélangeur est
comprise entre 15 et 25 mBars, le gaz neutre est de
l'azote et le taux d'oxygène est contrôlé et compris
entre 5 et 10%.
Le contrôle du taux d'oxygène permet de limiter
plus encore les risques d'explosion.
Plus préférentiellement, la pression dans le
mélangeur est de 20 mBars et le taux d'oxygène est de 6%.
De préférence, le mélange de poudres 5 est composé
d'un alliage d'aluminium renforcé par des particules
telles que, par exemple, des particules de carbure de
silicium, de carbure de bore, d'alumine, ou tout autre
matériau céramique.
Plus préférentiellement, le mélange de poudres 5
comprend 94,7% en masse d'Aluminium, 4% en masse de
Cuivre, 1,3% en masse de Magnésium et 15% en volume de
carbure de silicium.
En outre, le mélange de poudres 5 subit une
opération de tassage sur table vibrante préalablement à
l'étape (a) de compaction isostatique.
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
3
Egalement préalablement à l'étape (a) de compaction
isostatique, le gaz contenu dans le mélange de poudres
tassées 5 peut être est évacué par pompage afin d'obtenir
un compact solide 12.
Lors de l'étape de compaction, le fluide de
compaction 15 comprend avantageusement de l'eau et des
additifs lubrificateurs.
De préférence, la pression du fluide de compaction
est comprise entre 1500 et 4000 Bars et plus
10 préférentiellement la pression est de 2000 Bars.
On peut également prévoir que le compact obtenu à
l'étape (a) subisse une opération de dégazage à une
température comprise entre 100 et 450 C, de préférence
440 C.
15 De préférence, l'étape (b) de pressage uniaxial à
chaud est réalisée à une température comprise entre 400
et 600 C, de préférence à une température de 450 C, et à
une pression appliquée comprise entre 1000 et 3000 Bars,
de préférence de 1800 Bars.
Avantageusement, la billette 22 obtenue à
l'étape (b) est extrudée à chaud.
Très avantageusement, les composites à matrices
d'aluminium sont renforcés par des particules de carbure
de silicium ou tout autres particules de céramique comme
le carbure de bore ou l'alumine.
L'invention concerne également la billette 22
obtenue par le procédé décrit précédemment.
L'invention concerne en outre un dispositif pour
mettre en oeuvre l'étape (a) du procédé décrit
précédemment comprenant :
- une gaine en latex 1 dans laquelle est versé le
mélange de poudres 5,
- un récipient cylindrique perforé 2 dans lequel
est disposée la gaine en latex 1, et
- des moyens d'isolation hermétique 7, 10, 11 du
mélange de poudres 5 contenu dans la gaine 1,
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
4
dans lequel la gaine 1, le récipient perforé 2 et
les moyens d'isolation hermétiques 7, 10, 11 forment un
dispositif pour la compaction isostatique 14 qui est apte
à être placé dans le liquide de compaction 15 de la
presse isostatique pour subir l'étape (a) de compaction
isostatique.
Avantageusement, les moyens d'isolation hermétique
7, 10, 11 comprennent au moins un bouchon 7 en un
matériau élastiquement déformable emmanché à force dans
la gaine 1.
Très avantageusement, les moyens d'isolation
hermétique 7, 10, 11 comprennent le bord supérieur 10 de
la gaine 1 qui est replié en direction du fond de la
gaine 1 en formant une bordure annulaire 11 élastiquement
en appui contre la face externe 13a de la paroi latérale
13 du récipient perforé 2.
De préférence, la gaine 1 et le récipient perforé 2
sont, préalablement à l'étape (a) de compaction
isostatique, disposés de façon amovible dans un conteneur
cylindrique 3.
Dans ce cas, le bord supérieur 10 de la gaine 1 est
replié en direction du fond de la gaine 1 et vient
élastiquement en appui contre la face externe 12a de la
paroi latérale 12 du conteneur cylindrique 3.
Par ailleurs, le dispositif de l'invention peut
comporter des moyens 7a pour réaliser un tirage sous vide
dans la gaine 1 de façon que le gaz contenu dans le
mélange de poudres 5 soit évacué préalablement à l'étape
(a) de compaction isostatique.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts,
avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront
plus clairement à la lecture de la description qui suit
et qui est faite au regard des dessins annexés qui
représentent des exemples non limitatifs de réalisation
du dispositif l'invention et sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective éclatée
du dispositif de l'invention permettant l'évacuation des
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
gaz résiduels préalablement à l'étape a) de compaction
isostatique ;
- la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne
II-II de la figure 1 du dispositif de la figure 1
5 assemblé ;
- la figure 3 est une vue identique du dispositif
de la figure 2 sans le conteneur et disposé ainsi dans la
presse isostatique ;
- la figure 4 est une vue du dispositif pendant
l'étape de dégazage; et
- la figure 5 est une vue en coupe du dispositif
de pressage uniaxial.
L'exemple de réalisation présenté ci-après
s'adapte, de façon non limitative, à la préparation de
composites à matrices d'aluminium renforcés par des
particules de carbure de silicium.
Un mélange de poudres pré alliée 5 composé de 94,7%
en masse d'Aluminium, 4% en masse de Cuivre, 1,3% en
masse de Magnésium et 15% en volume de carbure de
silicium est mélangé à sec dans un broyeur à poulet ou
dans un mélangeur conventionnel de poudres.
Afin d'éviter tout risque d'explosion lors du
mélange des poudres, l'atmosphère environnant comprend un
gaz neutre tel que l'azote à une pression comprise entre
15 et 25 mBars, de préférence 20 mBars, ainsi que de
l'oxygène à un taux compris entre 5 et 10%, de préférence
de 6%.
En référence aux Figures 1 et 2, une gaine en latex
1 est disposée dans un récipient perforé 2 de manière à
laisser de l'espace libre entre le fond de la gaine 1 et
le fond du récipient perforé 2.
La gaine en latex 1 et le récipient perforé 2 sont
placés dans un conteneur 3 comportant une embouchure 4
traversée par un canal 4a débouchant dans le conteneur 3,
ledit canal 4a étant destiné à être raccordé à une pompe
à vide par l'intermédiaire d'un tuyau non représenté.
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
6
Après avoir fermé hermétiquement le dispositif par
des moyens adaptés non représentés, un tirage au vide
léger est effectué au niveau de l'embouchure 4 de façon
que la gaine en latex 1 vienne se plaquer contre les
parois du récipient perforé 2 en définissant un volume de
contenance le plus grand possible.
Après avoir arrêté la mise sous vide par obturation
du canal 4a, le mélange de poudres 5 précité est versé
dans la gaine 1 et simultanément tassé dans cette gaine 1
à l'aide d'une table vibrante non représentée.
Afin d'obtenir une étanchéité optimale pour les
opérations suivantes, la partie supérieure 10 de la gaine
1 est disposée de façon à dépasser du conteneur 3 en
étant replié en direction du fond de la gaine 1 pour
former un bord annulaire il élastiquement en appui contre
la face externe 12a de la paroi latérale 12 du conteneur
3.
Un bouchon en nitrile approximativement cylindrique
7 est emmanché à force dans la gaine 1 en laissant le
bord annulaire 11 dépasser comme décrit précédemment.
La disposition du bouchon en nitrile 7 et celle du
bord annulaire 11 de la gaine 1 permettent d'obtenir un
système totalement étanche.
Le bouchon en nitrile 7 comporte un alésage central
7a destiné à être raccordé à une pompe à vide par
l'intermédiaire d'un tuyau non représenté.
Un tirage sous vide est effectué jusqu'à ce que le
mélange de poudres 5 devienne un compact solide 12, puis
la mise sous vide est stoppée par obturation du canal 7a
par un obturateur 7b.
Un filtre 6, fixé sur la face interne 9 du bouchon
7 et au contact du mélange de poudres tassé 5, permet
d'éviter que les poussières provenant du mélange de
poudres 5 ne passent dans le système de mise sous vide
lors du tirage.
En référence à la Figure 3, l'ensemble formant
dispositif pour la compaction isostatique 14 constitué
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
7
par le compact 12, la gaine 1, le récipient percé 2 et le
bouchon 7 sont extraits du conteneur 3, l'étanchéité
étant conservée par l'élasticité de la gaine 1
permettant, simultanément à l'extraction de ce dispositif
14 du conteneur 3, que le bord annulaire 11 se plaque
contre la face externe 13a de la paroi latérale 13 du
récipient perforé 2.
Ce dispositif 14 est plongé dans le liquide de
compaction 15 d'une presse isostatique 16 comprenant de
l'eau et des additifs lubrifiants et est ainsi soumis à
l'opération de compaction isostatique à froid par
application d'une pression comprise entre 1500 et 4000
Bars de préférence 2000 Bars.
La vitesse de montée en pression, pendant cette
étape, est comprise entre 20 et 50 bars par minute et le
temps de maintien à la pression maximum précitée est d'au
moins une minute.
De cette façon, les forces exercées sur le compact
12 le sont sur toute sa surface ce qui permet d'obtenir
un compactage uniforme sans formation de strates ou autre
discontinuité de matière.
Le compact 12 obtenu après l'opération de
compaction isostatique présente une densité d'environ
85%.
Après cette opération, la gaine 1 est extraite du
récipient perforé 2 et l'extérieur de la gaine 1 ainsi
que le bouchon 7 sont minutieusement nettoyés afin
d'éviter tout contact entre le liquide de compaction 15
et le compact 12.
Puis, la gaine 1 et le bouchon 7 sont retirés et
les résidus du filtre 9 sont, le cas échéant, retirés par
meulage ou polissage de la partie supérieure du compact
12.
En référence à la figure 4, le compact 12 est alors
disposé dans un conteneur tubulaire en aluminium 17
comportant une paroi de fond 18.
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
8
Le conteneur 17 est obturé par soudage d'une paroi
supérieure opposé en aluminium 19 comportant un orifice
20 dans lequel est soudé un tube 21 destiné à être relié
à une pompe à vide.
Un tirage sous vide est effectué pendant environ 30
minutes après avoir contrôlé l'étanchéité du conteneur en
aluminium 17 et, tout en continuant d'effectuer le
pompage, la conteneur 17 est placé dans un four à environ
440 C pendant environ 12 heures pour subir une opération
de dégazage.
A la suite de cette dernière opération, le tube 21
est obturé à environ 10-20 cm de la paroi supérieure 19.
Le conteneur en aluminium 17 contenant le compact
12 est ensuite rapidement placé dans un outillage 23
préalablement chauffé à une température supérieure à
300 C de préférence comprise entre 400 et 600 C,
avantageusement à 450 C afin le compact 12 ne refroidisse
pas après l'étape de dégazage.
La température précitée est conservée pendant toute
la durée de l'opération de pressage uniaxial à chaud.
L'outillage 23 comporte un alésage central
cylindrique 24 de diamètre approximativement égal au
diamètre du conteneur 17 de façon à pouvoir insérer le
conteneur 17 dans le dit alésage 24.
Le conteneur 17 repose sur une pièce formant
éjecteur de matrice 25, pour des raisons expliquées
après, qui est solidement et amoviblement fixée à la face
interne 26 de l'alésage central 24.
Un poinçon 27 vient alors appliquer une pression
comprise entre 1000 et 3000 Bars, de préférence de 1800
Bars sur le conteneur 22 dans la direction verticale
indiquée par la flèche 28 jusqu'à ce que le poinçon 27 ne
se déplace plus, la pression atteinte étant alors
maintenue pendant environ une minute.
L'application d'une pression verticale permet à la
matrice d'être centrée relativement à cette pression.
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
9
Après l'opération de pressage uniaxial, le poinçon
27 est retiré et la billette 22, constituée du compact 12
dans le conteneur en aluminium 17 après l'opération de
pressage uniaxial, est éjectée de l'outillage 23 par un
éjecteur 29 disposé du coté opposé au poinçon 27 par
application d'une pression dans le sens de la flèche 20.
L'éjection de la billette 22 par le haut de
l'outillage est rendue possible par l'éjecteur de matrice
mobile 25 qui coulisse dans l'alésage central 24.
Un écroûtage mécanique est alors effectué afin
d'enlever la couche d'aluminium du conteneur autour de la
billette 22.
Après l'opération de pressage uniaxial, une
billette 22 de densité de 100% est obtenue.
Cette billette 22 est extrudée à chaud à une
température d'environ 400 C afin de lui conférer une
meilleure cohésion et des propriétés mécaniques
optimales.
La billette 22 peut alors être usinée afin de
réaliser une pièce métallique de toute forme par
forgeage, usinage ou tout autre technique connu.
De par le procédé mis en oeuvre, les particules de
carbure de silicium sont uniformément réparties dans la
billette obtenue qui présente ainsi des propriétés
mécaniques améliorées.
Les propriétés du composite à matrice métallique
ainsi obtenu dépendent de la nature de la matrice
d'aluminium, du taux de renfort en particules et du
traitement thermique réalisé sur le produit.
La résistance à rupture est typiquement supérieure
à 500MPa et le module d'Young se situe entre 95 et 130
GPa pour un taux de renfort variant entre 15 et 40% en
volume.
La contrainte limite de fatigue à 10' cycles se
situe entre 250 et 350 MPa ce qui a pour conséquence,
que les pièces mécaniques réalisées à partir de ce CMM
élaboré selon le procédé décrit précédemment peuvent
CA 02600274 2007-09-06
WO 2006/097622 PCT/FR2006/000564
avoir une durée de vie multipliée par 10 par rapport à
des matériaux conventionnels.
