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WO 2009/083572 PCT/EP2008/068293
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Procédé de fabrication d'une pièce métallique renforcée de fibres
céramiques
La présente invention concerne la fabrication de pièces métalliques
comportant des renforts internes formés de fibres céramiques, et
comprenant l'incorporation d'un insert en matériau composite du type
constitué de fibres céramiques dans une matrice métallique
Dans le but de réduire la masse des pièces métalliques tout en leur assurant
une résistance plus importante notamment en traction ou en compression, il
est connu d'incorporer des fibres céramiques dans la masse. Il s'agit par
exemple de fibres de carbure de silicium, SiC, qui présentent une résistance
à la traction et la compression largement supérieure à celle d'un métal
comme le titane.
La fabrication de ces pièces passe par la formation préalable d'inserts à
partir de fils céramiques à matrice métallique qui comprennent une fibre
céramique enduite de métal. Ils sont désignés aussi fibres CMM ou fils
enduits. Le métal donne l'élasticité et la souplesse nécessaires à leur
manipulation.
Un procédé connu de fabrication de telles pièces avec renfort comprend la
réalisation d'un bobinage de fil enduit autour d'un mandrin. Le bobinage
est ensuite introduit dans un conteneur ou corps principal métallique dans
lequel on a usiné au préalable une rainure formant un logement. La
profondeur de la rainure est supérieure à la hauteur du bobinage. Un
couvercle est placé sur le conteneur et soudé à sa périphérie après mise
sous vide. Le couvercle présente un tenon de forme complémentaire à celle
de la rainure, et sa hauteur est adaptée à celle du bobinage placé dans la
rainure de façon à venir combler la rainure. On procède ensuite à une étape
de compression isostatique à chaud au cours de laquelle le couvercle est
déformé et le bobinage est comprimé par le tenon.
La technique de compression isostatique à chaud consiste à disposer la
pièce dans une enceinte où elle est soumise à une pression élevée, de
l'ordre de 1000 bars et une température également élevée, de l'ordre de
1000 C pendant quelques heures.
Les gaines métalliques des fils enduits se soudent entre elles et avec les
parois de la rainure par diffusion pour former un ensemble dense composé
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d'alliage métallique au sein duquel s'étendent les fibres céramiques. La
pièce obtenue est ensuite usinée à la forme souhaitée.
Le procédé permet la fabrication de pièces aéronautiques
axisymétriques telles que des disques de rotor, des disques aubagés
monoblocs, des arbres, des corps de vérin, des carters, etc. On réalise aussi
des pièces oblongues pour constituer des bielles par exemple.
L'usinage de la rainure dans le corps principal est difficile à réaliser
notamment en raison des faibles rayons dans le fond de la rainure. Ce faible
rayon est nécessaire pour permettre le logement de l'insert qui a une
section rectangulaire. L'usinage du tenon correspondant dans le couvercle
n'est pas aisé non plus a cause des angles non débouchants. Lorsqu'en
particulier les pièces à réaliser ne sont pas axisymétriques mais sont
longues, avec une forme ovale ou bien avec des portions rectilignes, un
ajustement précis sur des longueurs importantes est difficile à obtenir. Cela
est encore plus difficile pour des inserts formés de fils enduits très rigides
en raison des fibres céramiques qui obligent la réalisation de logements
dans lequel ils s'adaptent parfaitement.
Au lieu de fabriquer l'insert séparément puis de le transférer dans la rainure
du corps principal, le brevet FR 2886290 au nom de Snecma propose de
réaliser, selon une variante, le bobinage directement sur le corps principal.
Au lieu d'une rainure on ménage deux épaulements dans celui-ci. Le
premier présente une surface d'appui pour le bobinage direct d'un fil
enduit. Cette surface est parallèle à la direction de bobinage. Lorsque le
bobinage est achevé, on reconstitue la rainure en plaçant une pièce sur le
corps principal qui est de forme complémentaire à celle d'un second
épaulement formant un gradin par rapport au premier épaulement. Puis on
dispose le couvercle avec le tenon sur l'insert que l'on vient de bobiner et
on procède au compactage de l'ensemble. Cette solution ne résout que
partiellement le problème de fabrication car l'assemblage reste complexe.
La demanderesse s'est fixé comme objectif d'améliorer le procédé de
fabrication de telles pièces dans le sens d'une simplification des étapes de
la gamme et d'une réduction des coûts.
Conformément à l'invention le procédé de fabrication d'une pièce
métallique renforcée de fibres céramiques, selon lequel
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on forme, dans un corps métallique présentant une face supérieure,
un logement pour un insert,
on dispose au moins un insert formé à partir de fibres à matrice
métallique dans le logement,
on place un couvercle métallique sur le corps de façon à recouvrir
l'insert,
on soude le couvercle sur le corps métallique après sa mise sous
vide,
on soumet l'ensemble à un traitement de compression isostatique à
chaud et
on usine l'ensemble traité à la forme souhaitée,
est caractérisé par le fait que le logement a la forme d'une encoche à
section en L avec deux faces perpendiculaires entre elles, le couvercle
présentant une encoche interne à section en L et de forme complémentaire
à celle de l'encoche du corps métallique avec ledit insert, le couvercle étant
conformé extérieurement de façon que les efforts de pression s'exercent
perpendiculairement aux dites faces de l'encoche.
De préférence, l'encoche du corps métallique comprend une face
perpendiculaire à ladite face supérieure et une face parallèle à ladite face
supérieure.
En modifiant ainsi par rapport à l'art antérieur la géométrie des pièces à
assembler, on dispose d'un meilleur accès pour l'outil d'usinage du
logement de l'insert aussi bien pour le corps principal que pour le
couvercle, ce qui rend ces opérations moins délicates à réaliser et donc
moins onéreuses. Le nombre de pièces est réduit à deux ce qui simplifie
l'assemblage par rapport à la solution précédente. Par ailleurs cette
géométrie permet une application des efforts de pression selon deux
directions non parallèles contribuant à un compactage plus efficace. Il est à
noter que dans le cas d'un insert annulaire, la déformation de l'insert est
parallèle à son axe.
Cette solution permet des mises en oeuvre différentes. Selon un premier
mode de réalisation on forme au préalable l'insert par bobinage d'un fil
enduit et on le met en place dans l'encoche. Selon un autre mode de
réalisation on forme l'insert par bobinage d'un fil enduit directement dans
l'encoche, cette dernière formant mandrin de bobinage.
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Cette solution permet aussi la réalisation de pièces différentes. L'insert
peut
avoir une forme annulaire. Il peut ainsi selon la géométrie de la pièce à
renforcer former un anneau axisymétrique ou bien encore pour des pièces
de forme allongée présenter au moins une portion rectiligne. L'insert peut
encore pour des pièces de forme allongée ne pas être annulaire et être
formé d'un ou de plusieurs éléments rectilignes.
Plus précisément la section transversale du bobinage est rectangulaire, une
première face du bobinage venant en appui contre une face de l'encoche et
une deuxième face du bobinage venant en appui contre l'autre face de
l'encoche.
Avantageusement le couvercle présente une portion de surface de centrage
coopérant avec une face de l'encoche, notamment la face de l'encoche du
corps principal perpendiculaire à la face supérieure de celui-ci, pour centrer
et guider la déformation du couvercle sur le corps principal.
On décrit maintenant l'invention plus en détail en référence aux dessins
annexés sur lesquels
La figure 1 représente un schéma de réalisation d'une pièce avec
insert selon l'art antérieur.
La figure 2 montre la solution de l'art antérieur tel que présenté dans
le brevet FR 2886290 avec deux épaulements.
La figure 3 montre la solution de l'invention avec une encoche à la
fois sur le corps principal et sur le couvercle.
Les figures 4 et 5 sont une simulation de la déformation du couvercle
et de l'insert pendant l'opération de compression isostatique à chaud.
La figure 6 montre l'application de l'invention à la réalisation d'une
pièce axisymétrique.
La figure 7 montre l'application de l'invention à la réalisation d'une
pièce de forme allongée.
La figure 8 montre un exemple de pièce finie réalisée conformément
à l'invention, après usinage.
Le schéma de la figure 1 illustre un mode opératoire de l'art antérieur. Le
corps principal P, métallique, comprend une rainure R à section
rectangulaire. On dispose dans cette rainure l'insert I constitué d'un
faisceau de fils enduits maintenus provisoirement et liés les uns aux autres.
Une seconde pièce formant couvercle C est placée sur le corps principal P ,
elle présente un tenon T de forme adaptée à la rainure R et qui s'appuie sur
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l'insert I. Les bords de la rainure R ou bien du tenon T sont chanfreinés de
manière à ménager un jeu avec la partie du couvercle adjacente au tenon.
Lors de l'opération de compression isostatique à chaud. La pression est
exercée selon la direction perpendiculaire à la surface du couvercle. La
5 pression et la chaleur permettent au métal de la matrice d'occuper les vides
entre les fils enduits constituant l'insert. Le volume de l'insert diminue de
23%. Le tenon est ainsi déplacé vers le bas et le jeu de part et d'autre du
tenon est absorbé. A la fin du processus le métal a fusionné ; la pièce est
ainsi renforcée par les fils emprisonnés dans la masse. Une technique
semblable est décrite dans le brevet EP 831 154.
Comme on le voit sur la figure 2, reprise du brevet FR 2886290, un corps
principal 139 de révolution autour de l'axe 140, en alliage de titane par
exemple, comprend une portion interne centrale par rapport à l'axe de
hauteur H' égale à la hauteur du conteneur. Sa périphérie 142 est
chanfreinée jusqu'à un premier épaulement 143 de hauteur h et de largeur
d. A la périphérie de cet épaulement se trouve un second épaulement 144
dont la dimension radiale complète la largeur du conteneur. Sa surface 145
s'étend à une altitude inférieure à celle de la surface du premier épaulement
annulaire. On a mis un insert annulaire 147 formé d'un faisceau de fils
enduits liés provisoirement entre eux. On a rapporté un anneau extérieur
146 sur le second épaulement de hauteur correspondant à celle de la portion
centrale du corps principal. L'anneau extérieur 147 est soudé de manière à
reconstituer une rainure avec le premier épaulement. Le couvercle 148
présente une saillie annulaire 149 et prend appui sur le faisceau de fils
enduits. On retrouve à partir de cette phase le procédé précédent.
On a représenté sur les figures suivantes un mode de réalisation non
limitatif de la solution de l'invention.
La figure 3 montre, en coupe transversale avec perspective, une partie
d'une pièce à fabriquer incorporant un insert. Le corps principal 2 de la
pièce métallique, en alliage de titane par exemple, présente une face
supérieure 21 est un bord périphérique 22 ; on a usiné une encoche 23 à
section en L en retrait du bord 22. Cette encoche présente une face 23 P,
perpendiculaire à la face supérieure 21, et une face 23S parallèle à cette
dernière. La hauteur H de 23P et la largeur L de 23S sont déterminées en
fonction des dimensions de l'insert à placer. Entre l'encoche 23 et le bord
22 le corps principal 2 présente une portion de surface de bord 24 à une
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altitude inférieure à celle de la surface 23S ; un épaulement 25 forme la
transition entre les deux parties 23 et 22.
Un insert 3 formé à partir d'un faisceau de fils enduits et de section
transversale rectangulaire est logé dans l'encoche. Sa hauteur Hi est
légèrement inférieure à celle de la face 23P et sa largeur Li est également
inférieure à celle de la face 23S.
L' insert peut être avantageusement réalisé, de façon non limitative, selon
l'une des méthodes enseignées par le brevet FR 2.886 .290. Cela comprend
la structure des fils enduits, leur fabrication, la fabrication d'une nappe
liée
de fils enduits, la solidarisation de cette nappe soit sur le support
métallique
sur lequel elle est enroulée soit à la nappe de couche inférieure, le soudage
de fils par laser ou par contact entre deux électrodes.
Lorsque l'insert est rectiligne, il est avantageusement déjà compacté et
fabriqué selon la technique décrite dans la demande de brevet déposée par
la demanderesse sous le numéro FR 0705454 le 26 juillet 2007.
On a placé sur le corps principal 2 un couvercle 4 conformé de façon à
épouser les différentes parties du corps principal avec l'insert. Plus
précisément, il comprend une paroi de fond 41 qui s'appuie sur la face
supérieure 21, une paroi de bord 44 qui s'appuie sur la portion de surface
de bord 24 et une paroi latérale 42 perpendiculaire entre les deux parois 41
et 44. Cette paroi latérale présente une encoche 43 interne. L'encoche 43
est à section transversale en L avec une face 43P perpendiculaire à la paroi
de fond 41. Cette face se prolonge du côté de l'épaulement 25 qu'il
chevauche. L'encoche présente une face 43S parallèle à la face 23S de
l'encoche 23 du corps principal 2 et en appui contre la face supérieure de
l'insert 3. La largeur de la face 43S est la même que celle de la face 23S.
Comme la hauteur Hi de l'insert est légèrement inférieure à la hauteur H de
la face 23P, la paroi 42 est en contact avec cette dernière par sa portion de
surface 42P.
Le couvercle n'épouse pas le corps principal 2 en trois endroits. Un
chanfrein est usiné entre la face supérieure 21 du corps principal et
l'encoche 23 ménageant un jeu avec la paroi de fond 41. Ce jeu peut aussi
être obtenu par creusement de la paroi de fond. De même un jeu est ménagé
entre la paroi de bord 44 et la surface de bord 24. On note aussi que la
largeur Li de l'insert étant légèrement inférieure à celle de la face 23S de
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l'encoche 23, un espace est créé entre la face 43P de l'encoche 43 du
couvercle et l'insert.
Lorsque le couvercle et le corps principal sont disposés ainsi, soudés et
sous vide, on soumet l'ensemble à un traitement de compression isostatique
à chaud. La pression s'exerce sur l'ensemble produisant des efforts selon
deux directions P1 et P2. L'effort de pression selon la direction P1 s'exerce
sur la face extérieure du couvercle de la paroi de fond 41 et de la paroi de
bord 44 qui sont parallèles. La pression s'exerce aussi selon la direction P2
perpendiculaire à P1 sur la face extérieure de la paroi latérale 42 qui est
perpendiculaire aux deux premières faces extérieures.
Les efforts sur le couvercle selon la direction Pl conduisent à une
déformation de celui-ci parallèlement aux faces 23P et 43P avec
compactage de l'insert dans cette direction et absorption du jeu entre les
parois de fond 41 et de bord 44 du couvercle 4 et les faces supérieure 21 et
de bord 24 du corps principal 2.
Le jeu entre la face 43P de l'encoche du couvercle et l'insert est également
absorbé par la déformation du couvercle résultant des efforts de pression
selon la direction P2.
Dans la mesure où l'insert est de forme annulaire il ne subit pas de
déformation dans le plan perpendiculaire à l'axe de l'anneau.
On a représenté sur les figures 4 et 5 une simulation des déformations
subies par le couvercle et l'insert. L'insert est de forme axisymétrique, les
déformations sont orientées dans la direction de l'axe de l'insert.
En raison des formes simples qu'il implique, le procédé de l'invention
présente l'avantage de pouvoir réaliser l'encoche sur le corps principal à
l'aide d'un outil de fraisage conventionnel. Il en est de même pour
l'encoche sur le couvercle.
L'encoche peut être de révolution pour la réalisation d'une pièce
axisymétrique. La figure 6 montre en perspective avec une partie arrachée
l'assemblage d'un corps principal 102 avec un couvercle 104.
Le corps principal 102 présente une encoche de révolution 123 autour de
l'axe de celui-ci, pour le logement d'un insert 103 qui est de forme
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annulaire. L'ensemble est recouvert d'un couvercle 104 avec une encoche
143. On retrouve les mêmes éléments que dans la figure 3 avec une
référence augmentée de 100. L'insert est retenu entre l'encoche 123 du
corps 102 et l'encoche 143 du couvercle 104. la compression isostatique a
pour objet la compression de l'insert 103 selon la direction P1. Les faces
142P et 143P de l'encoche 143 glissent le long des faces 123P et 125 du
corps 102 en comprimant l'insert 103. La compression secondaire est
fournie par les efforts selon la direction P2 qui déforment la paroi 142.
L'insert peut être réalisé par bobinage séparément puis rapporté sur
l'encoche. Cependant la forme permet un bobinage direct sur l'encoche.
L'invention permet la réalisation de pièces qui ne sont pas axisymétriques
comme celle représentée sur la figure 7. Les références pointent sur les
mêmes parties que sur la figure 3 et sont augmentées de 200. Le corps
principal 202 a une forme allongée qui se décompose en deux parties en
demi-cercles reliés par deux parties rectilignes. L'encoche 223 est de forme
allongée avec deux parties en demi-cercle et deux parties rectilignes. Cette
encoche reçoit un insert de forme correspondante. La pièce comprend deux
faces avec deux encoches 223 qui sont recouvertes par deux couvercles.
204 qui comportent chacun une encoche 243.
On a représenté en 210 la pièce assemblée prête pour le traitement de
compression isostatique à chaud.
Sur la figure 8 on voit un exemple de pièce qu'il est possible de réaliser
avec le procédé. L'insert 3 est noyé dans la masse du corps 2, il est visible
sur la figure par transparence. La pièce a été usinée pour lui donner la
forme souhaitée. Par cette technique on peut ainsi réaliser des pièces
allongées telles que des bielles dans un train d'atterrissage d'aéronef
travaillant aussi bien en traction qu'en compression.
De façon plus générale, on peut aisément ménager dans un corps principal
une encoche qui n'est pas nécessairement annulaire. Il peut s'agir par
exemple de portions rectilignes. L'usinage d'encoches correspondantes est
également aisé.
