Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
1
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE MÉTALLIQUE COMPOSITE
A RENFORTS INTERNES EN FIBRES, PRÉFORME DE MISE EN OEUVRE ET
PIECE MÉTALLIQUE OBTENUE
INTRODUCTION
L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces métalliques
composites par incorporation de renforts internes formés de fibres, en
particulier de
fibres céramiques, et concerne également la préforme utilisée lors de la mise
en
oeuvre du procédé ainsi que la pièce métallique composite obtenue.
L'invention se rapporte au domaine des matériaux composites à matrice
métallique, en abrégé CMM.
Afin de réduire le poids des pièces métalliques tout en augmentant leur
capacité de résistance mécanique, tant en traction qu'en compression, il est
habituellement recouru à l'incorporation de fibres, fibres de carbone,
d'aramides (par
exemple le Kevlar ) ou fibres céramiques, dans la masse métallique. Les fibres
céramiques, notamment les fibres de carbure de silicium SiC, sont en
particulier
utilisées pour des applications de haute technicité à hautes températures que
nécessitent les domaines de l'aviation ou de l'aérospatial ou dans le domaine
de la
sécurité, par exemple pour le freinage (freins céramique).
La fabrication de ces pièces passe par la réalisation préalable d'inserts à
partir de fils enduits de métal. Le métal procure notamment l'élasticité et la
souplesse
nécessaires à leur manipulation.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un procédé connu de fabrication de telles pièces avec renfort, décrit par
exemple dans le document de brevet FR 2 886 290, comprend la formation d'un
bobinage de fils enduits autour d'un mandrin. Le bobinage est ensuite
incorporé dans
un conteneur ou corps principal métallique dans lequel une cavité a été usinée
au
préalable pour former un logement à l'insert. La profondeur de la cavité est
supérieure à la hauteur du bobinage et est conformée pour y insérer un tenon
de
couvercle.
Le couvercle est soudé sous vide à la périphérie de la cavité pour assurer
l'étanchéité lors de l'étape de compaction isostatique à chaud, au cours de
laquelle
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
2
le couvercle est déformé et le bobinage est comprimé par le tenon.
La technique de compaction 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 à une température également élevée, de l'ordre de 1000 C,
pendant
quelques heures.
Au cours de ce traitement, les vides inter-fils enduits disparaissent par
fluage, les gaines métalliques des fils enduits se soudent entre elles et avec
les
parois de la cavité, par soudage diffusion, pour former un ensemble dense
composé
d'un 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 ou des disques à aubes monoblocs, mais aussi
non
axisymétriques, telles que des bielles, des arbres, des corps de vérin, des
carters.
Cependant, l'usinage de la cavité dans le corps principal est une opération
difficile à réaliser notamment en raison des faibles rayons de raccordement
dans le
fond de la cavité entre la surface du fond et les parois latérales. Ce faible
rayon de
raccordement est nécessaire pour permettre le logement, avec un jeu aussi
faible
que possible, de l'insert qui a une section rectangulaire et qui est formé de
fils de
faibles rayons. L'usinage du tenon correspondant dans le couvercle n'est pas
aisé
non plus à cause des angles non débouchant et du fait qu'il doit avoir une
forme
parfaitement complémentaire à la cavité.
De plus, lorsque les pièces à réaliser ne sont pas axisymétriques mais de
forme oblongue, 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,
par exemple
des fibres céramiques, qui obligent la réalisation de logements dans lesquels
ils
s'adaptent parfaitement. Le couvercle doit s'assembler exactement dans la
cavité
afin de ne pas laisser échapper les fibres.
L'usinage génère donc globalement des coûts de fabrication élevés. En
particulier l'usinage du corps principal du conteneur avec son couvercle
représente
une fraction importante du coût total des pièces. Afin de diminuer ces coûts
et de
simplifier les étapes, la demanderesse a développé un procédé de fabrication
dans
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
3
lequel la cavité loge un insert rectiligne ainsi que le couvercle dont les
dimensions
sont réglées pour permettre un positionnement sur cet insert. L'étanchéité de
la
cavité est alors assurée par frettage par réduction des dimensions du
couvercle au
froid, par exemple par plongée dans de l'azote liquide, puis dilatation dans
la cavité
de manière à réaliser un ajustement serré. La solution réalise ainsi une
étanchéité
qui permet de simplifier la forme de la cavité.
Ce procédé est décrit dans la demande de brevet déposée le 4 juillet 2008
sous le numéro FR08/54589.
Cependant cette solution introduit un risque élevé de perte d'étanchéité
dans la cavité du conteneur logeant le couvercle et l'insert lors de
l'opération
ultérieure de compaction isostatique à chaud pour les raisons suivantes.
Cette opération consiste à soumettre l'ensemble conteneur - insert -
couvercle à un double cycle de montée en température et en pression. La
pression
est exercée par un fluide gazeux de compaction, généralement de l'argon.
Sous l'effet de l'augmentation en température, les contraintes induites par
le frettage entre le couvercle et le conteneur se relaxent. Simultanément, la
pression
extérieure au conteneur augmente également et le gaz de compaction s'introduit
dans la cavité contenant l'insert, entre le couvercle et le conteneur. Une
telle
infiltration peut empêcher ou dégrader la compaction ainsi que le soudage
diffusion
des gaines des fils de l'insert entre elles et/ou avec les parois de la
cavité.
OBJET DE L'INVENTION
Pour résoudre ce problème, l'invention propose un traitement de pré-
soudage du couvercle sur le conteneur préalablement à la phase de compaction.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de
fabrication de pièces métalliques composites par incorporation de renforts
internes
formés de fibres, comportant les étapes d'usinage dans un corps métallique ou
conteneur d'au moins une cavité de logement pour un insert de forme
correspondante comportant des fibres de renfort, d'introduction d'un couvercle
sur
l'insert dans la cavité du conteneur, le couvercle présentant des parois
maintenues
en pression contre les parois du conteneur en regard, de cycle de compaction
isostatique à chaud de l'ensemble conteneur - insert - couvercle, et d'usinage
dudit
ensemble pour obtenir ladite pièce. Cette étape de mise en pression du
couvercle
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
4
contre le conteneur est alors poursuivie par un traitement thermique de pré-
soudage
diffusion consistant en une montée et un maintien en température de l'ensemble
conteneur - insert - couvercle solidarisant le couvercle et le conteneur.
Dans ces conditions, la compaction isostatique est optimisée et ne
nécessite plus de fermeture externe du conteneur par le couvercle à l'aide
d'une
soudure spécifique, ce qui entraîne une réduction des coûts, tout en
garantissant une
compaction de qualité du fait de l'absence de fuite de gaz dans l'insert par
le pré-
soudage interne.
De préférence, le traitement préalable est intégré au cycle de compaction
isostatique à chaud dans lequel une première phase uniquement thermique est
suivie d'une phase de mise en pression externe à chaud.
Selon des modes de réalisation particuliers :
- un frettage préalable à l'étape de pré-soudage est effectué entre les
parois du couvercle et du conteneur en regard, afin d'aboutir à un ajustement
serré
en pression entre lesdites parois ;
- ce frettage est mis en oeuvre par refroidissement du couvercle pour
contracter ses dimensions avant introduction dans la cavité puis sa dilatation
par
retour à la température ambiante, et/ou par chauffage du conteneur lors de
cette
montée en température pour augmenter les dimensions de sa cavité par
dilatation
avant introduction du couvercle ;
- le refroidissement est réalisé par trempe thermique dans de la
carboglace ou un gaz liquéfié, en particulier de l'azote liquide.
L'invention a également pour objet une préforme de pièce métallique
assemblée lors de la phase de montée en température du procédé défini ci-
dessus.
Cette préforme comporte le corps métallique ou conteneur, l'insert de fibres
de
renfort disposé dans la cavité formée dans le conteneur, ainsi que le
couvercle
métallique disposé sur l'insert dans ladite cavité et solidarisé audit
conteneur.
Selon des modes de réalisation particuliers :
- la cavité comprend une première partie principale longiligne logeant
l'insert et au moins une deuxième partie en prolongement de la première, le
couvercle comprenant une portion centrale recouvrant l'insert et au moins un
prolongement de forme correspondant à la deuxième partie de la cavité de sorte
à
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
envelopper partiellement l'insert sur au moins deux plans différents. Le
couvercle
forme ainsi un pavé métallique de géométrie simple et facilement réalisable ;
- le couvercle comprend une zone de déformation progressive entre la
portion principale et au moins un prolongement du couvercle au moment de
l'étape
5 de compaction ;
- l'insert et la cavité sont rectilignes, afin que le couvercle s'assemble
avec
précision dans la cavité avec le conteneur dans les phases de traitement
thermique
pour ne pas laisser échapper les fibres ;
- l'insert est à section transversale choisie entre une conformation
polygonale, notamment rectangulaire, ovale et circulaire ;
- l'insert est formé de fibres assemblées en faisceaux et enduites de
métal, en particulier de titane, ce qui facilite le soudage diffusion lors de
la
compaction ;
- la préforme présente plusieurs cavités de forme allongée intégrant des
inserts de forme correspondante, les cavités étant agencées selon des parties
rectilignes, parallèles ou non. Cet agencement permet de réaliser un multiple
renfort
interne longitudinal, sans utiliser d'insert de forme annulaire étirée avec
des
branches rectilignes qui nécessite d'ajuster l'usinage de la cavité de
l'insert à la
forme de l'insert, opération délicate et onéreuse. Ce renfort multiple est
obtenu sans
sacrifier la résistance de la pièce puisque les fibres travaillent
essentiellement selon
leur direction longitudinale.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de l'exemple détaillé de réalisation qui suit, en référence aux
figures
annexées qui représentent, respectivement :
- les figures la à l c, des vues en coupe schématiques d'un exemple de
déroulement des trois principales étapes du traitement thermique du procédé
selon
l'invention ,
- les figures 2a et 2b, des vues perspectives et par transparence d'un
exemple d'assemblage pour réaliser une préforme de pièce métallique selon
l'invention,
- la figure 3, une vue perspective d'une biellette de train d'atterrissage
incorporant des inserts compactés selon la présente invention.
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
6
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN MODE DE RÉALISATION
Dans cet exposé, les termes de positionnement du type supérieur ou
inférieur désignent des localisations par rapport à des objets selon le sens
de la
gravité universelle.
En référence à la vue schématique en coupe transversale de la figure la,
le corps métallique représenté ou conteneur 10 est par exemple destiné à
former une
bielle d'un train d'atterrissage. Une cavité 12 a été usinée dans le conteneur
10 à
partir de sa face supérieure Fs. Cette cavité accueille un insert 14 dans sa
partie
inférieure et un couvercle 16 dans sa partie supérieure, le couvercle
recouvrant
l'insert.
Le couvercle 16 est en saillie, dans l'exemple représenté sur la figure la,
par rapport à la face supérieure Fs du conteneur 10 pour des questions de
compensation de matière comme évoqué ci-dessous en phase de compaction
isostatique.
La cavité 12, l'insert 14 et le couvercle 16 sont de forme complémentaire
et usinés de manière à ne pas présenter de jeu ou un jeu minimal entre eux, le
plus
faible possible compte tenues des contraintes technologiques. En particulier,
le
couvercle 16 et le conteneur 10 présentent des parois 16a et 10a en appui
l'une
contre l'autre par mise en pression préalable.
Avantageusement, un frettage entre les parois du couvercle et du
conteneur en regard est effectué par refroidissement préalable du couvercle
dans de
l'azote liquide. Le couvercle rétrécit alors en dimensions et est positionné
dans la
cavité sur l'insert. Par réchauffement lors de la montée en température dans
la phase
de pré-soudage qui suit, le couvercle se dilate en dimension et les parois du
couvercle et du conteneur en regard viennent alors en pression l'une contre
l'autre
par un ajustement serré.
Il est ensuite procédé à un cycle de pré-soudage par diffusion de matière
à chaud dans une enceinte appropriée (non représentée) apte à effectuer
ultérieurement la compaction isostatique. La montée en température et la durée
de
ce cycle sont adaptées à la mise en oeuvre d'une diffusion du métal du
conteneur. La
mise en pression préalable est calculée pour permettre une relaxation
suffisante des
contraintes lors de cette montée en température.
Dans l'exemple, le métal est un alliage de titane et la température de
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
7
soudage est comprise entre 850 et 10000 C. La durée de maintien en température
pour des alliages de titane est au minimum de 30 minutes. Ce pré-soudage
solidarise totalement ou au moins partiellement le conteneur et le couvercle.
Le
conteneur et le couvercle sont avantageusement constitués d'un même métal, un
alliage de titane dans l'exemple. Après ce traitement de solidarisation, le
conteneur
et le couvercle 16 ne forment plus qu'une seule entité entourant l'insert de
fibres
14, comme illustré schématiquement par la figure lb, le couvercle formant
toujours
une saillie 16s de face supérieure Fc.
10 Il est ensuite procédé à l'opération de compaction isostatique à chaud, en
référence à la vue schématique de la figure l c. La pression (flèches F) est
exercée
perpendiculairement à toutes les faces du conteneur 10, générant
l'affaissement du
couvercle. L'introduction du gaz sous pression et la température, pouvant
atteindre
de l'ordre de 1000 bars et 1000 C, permettent au métal de la matrice de
l'insert 14
d'occuper les vides entre les fils enduits constituant l'insert.
Les dimensions du couvercle sont préalablement calculées pour que la
face supérieure 16s du couvercle 16 vienne, lors de la mise en pression, au
niveau
de la face supérieure Fs du conteneur 10, sachant que le volume de l'insert
diminue
d'environ 15 à 20%. A la fin du processus, le conteneur, le couvercle et les
fibres
sont compactés, comme indiqué par les volumes de rétrécissement 18 et 19
apparaissant en coupe hachurée sur la figure 1 c.
L'ébauche de la pièce est ainsi renforcée par les fils emprisonnés dans la
masse. Un usinage final permet d'obtenir la pièce de forme souhaitée.
Les vues en perspective des figures 2a et 2b illustrent concrètement
l'assemblage des composants en vue de réaliser une préforme 20. Les composants
comprennent le conteneur 10 de forme allongée, présentant la cavité 12
également
sous forme allongée, l'insert 14 rectiligne et le couvercle 16 en forme de
pavé.
La cavité usinée 12 est rectiligne avec un fond plat et des parois
perpendiculaires au fond. La surface de raccordement entre le fond et les
parois
présente un faible rayon de courbure pour permettre un ajustement de l'insert
14
avec un jeu aussi faible que possible. La cavité comporte une partie centrale
12c et
deux parties d'extrémité annulaires 12e et 12e', en prolongement longitudinal
de part
et d'autre de la partie centrale.
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
8
La partie centrale 12c est destinée à servir de logement à l'insert rectiligne
14 par ajustement. L'insert est formé d'un assemblage de fibres céramiques
enduites
de métal, du titane dans l'exemple de réalisation.
La forme du couvercle 16 permet d'envelopper l'insert 14 une fois disposé
dans son logement. Le couvercle 16 présente une forme globale de pavé et des
dimensions ajustées au plus près de celles de la cavité 12, avec une partie
centrale
16c et des parties d'extrémité 16e et 16e' dans les prolongements
longitudinaux de la
partie centrale. Les parties d'extrémité permettent au couvercle d'envelopper
l'insert
sur sa face supérieure Fi et sur ses faces d'extrémité Fe et Fe', soit sur
trois plans
différents.
La hauteur H des parties d'extrémité 16e et 16e' du couvercle correspond
à la hauteur 16h de sa partie centrale 16c augmentée de celle de l'insert 14,
et est
légèrement supérieure à la profondeur de la cavité 12. Les parties d'extrémité
16e et
16e' du couvercle présentent chacun un pan coupé 16p et 16p' ménageant un
espace avec le fond de la cavité du côté de l'insert. Ces pans définissent des
espaces libres qui faciliteront la déformation du couvercle lors de la
compaction.
Dans l'exemple, la solidarisation entre le couvercle et le conteneur pour
obtenir la préforme 20 est avantageusement précédée par un frettage. Pour ce
faire,
le couvercle 12 est abaissé brutalement en température pour provoquer un
rétrécissement de ses dimensions. Un moyen simple est de le plonger dans de
l'azote liquide. Le couvercle se place alors aisément dans la cavité après
avoir été
refroidi. En se dilatant, le couvercle vient en ajustement serré en pression
contre les
parois latérales du conteneur.
L'enceinte de compaction isostatique (non représentée) comporte
classiquement des moyens de régulation de chauffage dans une gamme importante
de températures, pouvant aller jusqu'à 1000 C et au-delà, des moyens de mise
sous
vide et des moyens de mise sous pression élevée, pouvant atteindre 1000 bars
et
au-delà.
La température du cycle de soudage diffusion est la température classique
de soudage du métal constituant le conteneur et le couvercle, ici l'alliage de
titane.
Avantageusement, les phases de traitement thermiques, en particulier de
pré-soudage, sont effectuées dans l'installation de compaction. Le pré-soudage
et la
CA 02793463 2012-05-22
WO 2011/064251 PCT/EP2010/068120
9
compaction sont ainsi enchaînés de manière continue.
La face supérieure Fc du couvercle 16 s'affaisse lors de la mise en
compression jusqu'à 1000 bars pour finaliser la compaction isostatique à chaud
de la
préforme 20.
Plus précisément, l'insert est formé d'un faisceau de fibres enduites d'un
alliage de titane. Le traitement conduisant à une réduction de volume et une
densification de cet insert, le couvercle descend dans la cavité à la manière
d'un
piston. La zone de transition formée par les pans coupés 16e et 16e' permet au
couvercle de se déformer sans que les efforts de cisaillement conduisent à un
endommagement du couvercle. L'ébauche ainsi obtenue est prête à être usinée
pour
réaliser la pièce métallique souhaitée.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et
représentés.
La mise en pression du couvercle sur le conteneur peut être réalisée par
tout moyen à la portée de l'homme du métier : par l'introduction d'une lame
élastique,
d'un écarteur mécanique, etc.
Suivant le type de pièce à usiner, il convient d'intégrer un nombre d'inserts
adapté à la structure de la pièce à renforcer.
Ainsi, dans la biellette 30 illustrée par la figure 3, des inserts ont été
compactés selon la méthode de l'invention dans chacune des parties rectilignes
31
et 31' de chacune des branches non parallèles 33 et 33', avant usinage des
évidements 34, 35, 35' et 36. Les inserts assurent la transmission des efforts
en
traction et compression.
Le procédé de l'invention permet dans ces conditions de réaliser toute
pièce incorporant un ou plusieurs inserts dans des parties longitudinales de
cette
pièce.
Par ailleurs les formes du couvercle peuvent varier et envelopper l'insert
de manière partielle ou totale. Dans ce cas, plusieurs couvercles peuvent
envelopper
l'insert, en prévoyant par exemple une cavité traversante, un insert étant
disposé au
milieu de la cavité et deux couvercles disposés de part et d'autre de l'insert
à partir
des deux faces opposées du conteneur.
