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WO 2011/121232 PCT/FR2011/050697
Méthode de fabrication d'un insert de forme allongée en matériau
composite à matrice métallique.
La présente invention concerne le domaine des matériaux composites à
matrice métallique et vise plus particulièrement un procédé de fabrication
d'un
insert formé de fibres céramiques dans une matrice métallique pour renforcer
une pièce métallique.
Dans le domaine de l'aéronautique, notamment, un objectif constant est
l'optimisation de la résistance des pièces pour une masse et un
encombrement minimaux. Certaines pièces peuvent désormais comporter un
insert en matériau composite à matrice métallique, désigné par la suite CMM,
la pièce pouvant être par ailleurs monolithique. Un tel matériau composite
comporte une matrice d'alliage métallique, par exemple d'alliage de titane Ti,
au sein de laquelle s'étendent des fibres, par exemple des fibres céramiques
de carbure de silicium SiC. De telles fibres présentent une résistance en
traction bien supérieure à celle du titane (typiquement, 4000 MPa contre 1000
MPa). Ce sont donc les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage
métallique assurant une fonction de liant avec le reste de la pièce, ainsi que
de protection et d'isolation des fibres, qui ne doivent pas entrer en contact
les
unes avec les autres. En outre, les fibres céramiques sont résistantes à
l'érosion, mais doivent nécessairement être renforcées par du métal.
Ces matériaux composites peuvent être utilisés dans la fabrication de disques,
d'arbres, de corps de vérins, de carters, d'entretoises, comme renforts de
pièces monolithiques telles des aubes, etc.
Pour des disques de compresseur dans un turboréacteur par exemple une
technique connue de renforcement consiste à insérer dans la pièce un
bobinage circulaire de fibres enduites. Une technique de fabrication d'insert
CMM repose sur le principe de bobinage de fils enduits décrit dans le brevet
EP 1.726.677 déposé au nom de Snecma. L'insert est obtenu à partir d'une
pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une
gaine métallique. Ce type de fil est désigné fil enduit par la suite. La
fabrication
comprend une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils
enduits autour d'une pièce de révolution perpendiculairement à l'axe de la
pièce. L'insert est ensuite soumis à une étape de compression isostatique à
chaud dans un conteneur. On désigne par conteneur une ébauche de pièce
métallique dans laquelle on a usiné une cavité de réception de l'insert en
matériau CMM et qui est ensuite soumise à un traitement de compaction
isostatique à chaud. Ce traitement est désigné CIC par la suite.
Les pièces décrites ainsi obtenues sont de type circulaire et conviennent
particulièrement, outre les disques de compresseur pour la réalisation de
pièces circulaires telles que des arbres, des corps de vérins ou des carters.
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D'autres pièces mécaniques requièrent des propriétés différentes de celles
présentées par les pièces circulaires. C'est le cas notamment des bielles
utilisées par exemple dans les systèmes d'atterrissage ou des pièces de
structure telles que des suspensions de moteurs, de forme essentiellement
oblongue. La fonction de ces pièces est de transmettre un effort de traction
et/ou de compression unidirectionnel. Le renforcement de ces pièces
nécessite alors des inserts en CMM de forme rectiligne ou sensiblement
rectiligne, au moins en partie. En effet les fibres doivent être orientées
suivant
la direction des efforts.
La fabrication de ces inserts de manière industrielle et au moindre coût est
délicate.
On connaît un procédé de fabrication d'une pièce mécanique comportant au
moins un insert en matériau CMM. Le procédé comprend la fabrication d'une
ébauche d'insert par bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils
enduits autour d'un support annulaire dont une partie comprend une portion
rectiligne ou sensiblement rectiligne.
Le procédé décrit dans le brevet FR 2.919.284 aux noms de Snecma et
Messier-Dowty, développe ce principe et comprend ensuite l'insertion de
l'ébauche d'insert ci-dessus dans un premier conteneur métallique, la
compaction isostatique à chaud du premier conteneur, suivie de l'usinage de
celui-ci pour former un élément d'insert. Après la fabrication de cet élément
d'insert, le procédé de fabrication d'une pièce mécanique comprend les étapes
suivantes : insertion de l'élément d'insert dans un second conteneur,
compaction isostatique à chaud du second conteneur et usinage du second
conteneur pour former la pièce mécanique souhaitée. La pièce mécanique
ainsi obtenue, par exemple une bielle, permet avantageusement de
transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels dans
le sens des fibres céramiques qui y ont été intégrées.
Au lieu de passer par l'étape intermédiaire de compaction de l'ébauche
d'insert suivie de sa découpe en éléments d'insert rectilignes, on pourrait
envisager de découper la bobine annulaire formant l'ébauche en assurant le
maintien des fils enduits en faisceau. La demande de brevet FR 2.925.896
enseigne d'incorporer ce type de faisceau dans une rainure rectiligne
débouchant à ses extrémités.
Cette solution présente plusieurs inconvénients qui impactent
l'industrialisation
de ces opérations :
On perd les fils enduits au niveau des parties non droites. Cette
perte n'est pas négligeable car le demi-produit fil enduit représente un coût
important dans le coût total de la pièce.
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Le bobinage, notamment sur des formes ovales, induit des
contraintes dans l'insert bobiné qui risquent de se relâcher se traduisant par
une déformation de l'insert lors de la découpe.
Ces techniques nécessitent de multiplier les systèmes de maintien
des fils enduits au droit des zones de découpe.
Par ailleurs, une technique fondée sur l'enroulement par bobinage d'une
nappe de fils enduits préalablement assemblés vise essentiellement la
réalisation d'inserts de section transversale, perpendiculaire aux fibres,
carrée
ou rectangulaire.
Pour certaines applications, il serait souhaitable d'avoir un insert de
section
différente du carré ou du rectangle afin d'améliorer la reprise d'efforts
entre
l'insert composite et le reste de la structure de la pièce. En effet, des
renforts
de section par exemple trapézoïdale ou elliptique permettraient d'éviter ou au
moins de limiter les sauts de raideur et ainsi d'améliorer la tenue mécanique
des zones de transition.
Par exemple, pour des pièces allongées telles que des pièces de train
d'atterrissage ou des bielles de suspension de moteur comportant des
attaches latérales entre leurs extrémités, un renfort dont le nombre de fibres
est plus faible le long du bord de la pièce solidaire de l'attache permet une
meilleure transition des efforts au niveau de cette dernière.
L'objectif de la présente invention est la mise au point d'une technique de
réalisation d'inserts à coût réduit et facilement industrialisable.
L'invention a également pour objectif une technique de fabrication qui permet
la réalisation d'inserts dits de forme c'est-à-dire dont la section
transversale
peut être différente de la forme carrée ou rectangulaire.
On parvient à cet objectif avec un procédé de fabrication d'un insert de forme
allongée, destiné à être intégré par CIC dans un conteneur métallique,
comprenant des fils enduits liés entre eux, lesdits fils enduits étant formés
de
fibres céramiques enduites de métal, caractérisé par le fait qu'il comprend
une
étape consistant à disposer les fils enduits côte à côte en un faisceau
comprenant une pluralité de couches de fils enduits, à entraîner le faisceau
de
fils enduits à travers un élément conformateur de manière à le rendre compact
transversalement tout en le mettant en forme avec une section transversale
déterminée par l'élément conformateur et à placer des sangles enserrant
transversalement le faisceau, en aval de l'élément conformateur..
De préférence, on forme le faisceau à partir de fils enduits que l'on déroule
depuis des bobines de fils.
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Le faisceau de fils avant son passage au travers de l'élément conformateur
présente des espaces interstitiels résultant de la section circulaire des fils
enduits. L'élément conformateur est dimensionné de manière à réduire le
foisonnement des fils et les espaces interstitiels tout en donnant au faisceau
la
forme souhaitée. On résout ainsi simplement le problème d'industrialisation et
mise en forme du faisceau de fils. La section de passage de l'élément
conformateur est choisie librement en fonction de la forme, dans le plan
transversal, souhaitée de l'insert.
Selon un mode de réalisation, l'élément conformateur comprend au moins
deux galets rotatifs, les axes des deux galets étant orientés
perpendiculairement à la direction d'avancement des fils enduits. Pour
compléter le contour, l'élément conformateur comprend notamment des
supports latéraux fixes entre les galets. L'élément conformateur peut aussi
comprendre une pluralité de galets constituant le contour de la section de
passage. La fonction des galets est de réduire les frottements sur le faisceau
de fils enduits en accompagnant son déplacement. Des éléments fixes
conviennent aussi dans la mesure où le frottement des fibres est réduit.
On peut ainsi former un élément conformateur dont la section de passage est
polygonale avec des côtés rectilignes ou courbes ou encore de section ovale
ou circulaire.
Afin de faciliter le guidage des fibres à l'élément conformateur et
ultérieurement leur maintien ensemble dans le faisceau, une feuille
métallique,
désignée clinquant aussi, est avantageusement interposée entre les fils
enduits du faisceau et au moins une partie des côtés de l'élément
conformateur.
On assure le maintien de l'assemblage des fils enduits par des anneaux ou
bagues placés le long de l'insert en aval de son passage à travers de
l'élément conformateur. Les bagues sont formées par exemple d'une feuille
métallique, formant une sangle avec laquelle on entoure le faisceau de
manière serrée et dont on soude les extrémités après les avoir repliées l'une
sur l'autre.
On tronçonne ensuite le faisceau de fils enduits à la longueur souhaitée
correspondant à la longueur de l'insert à placer dans le conteneur métallique.
Pour éviter le foisonnement des fils enduits en extrémités de l'insert,
rendant
difficile la manipulation de celui-ci et sa mise en place dans le conteneur,
il est
judicieux de scier le faisceau à travers une bague de serrage car les portions
de bague obtenues sont placées en extrémité et assurent le serrage du
faisceau.
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Selon une mise en oeuvre du procédé, les fils enduits avant leur regroupement
en faisceau sont guidées dans leur déplacement vers l'élément conformateur
de manière à former des sous ensembles ou faisceaux élémentaires. Il peut
s'agir de nappes que l'on superpose les unes sur les autres pour former ledit
5 faisceau. On forme un faisceau élémentaire en déroulant simultanément les
fils enduits du sous ensemble depuis des bobines séparées. Par exemple on
peut former ainsi un empilement de nappes de fils enduits rectilignes obtenues
en juxtaposant à plat un nombre déterminé de fils enduits, jusqu'à obtenir un
nombre de nappes déterminé. Plus particulièrement, on dépose une première
nappe sur une surface d'appui, notamment comprenant une feuille métallique,
et on recouvre la dernière nappe à travers de l'élément conformateur. Au lieu
de nappes, les faisceaux élémentaires peuvent avoir toute forme de section
transversale.
Selon une autre mise en oeuvre, on regroupe les fils enduits en faisceaux
élémentaires dans une pluralité de guides, goulottes ou tubes qui sont
disposés de manière à converger vers la section de passage de l'élément
conformateur.
Le procédé de l'invention est une étape d'un procédé de fabrication d'une
pièce métallique comprenant l'incorporation de l'insert ainsi réalisé dans un
conteneur métallique et la compaction isostatique à chaud de l'ensemble,
comme cela est décrit par exemple dans la demande de brevet FR2933422 ou
la demande FR2933423 au nom de Messier Dowty.
Selon ce type de procédé,
- au moins un logement pour un insert est usiné dans un corps
métallique formant le conteneur,
- ledit insert est disposé dans le logement,
- un couvercle métallique est placé sur le corps de façon à recouvrir
l'insert,
- le couvercle est soudé sur le corps métallique,
- l'ensemble du corps métallique avec couvercle est soudé par
compression isostatique à chaud et
- on usine ledit ensemble traité pour obtenir ladite pièce.
La solution de l'invention permet l'incorporation de l'insert dans un
conteneur,
immédiatement en aval de l'élément conformateur. Par exemple, le conteneur
peut comprendre un logement longitudinal traversant dans lequel on vient
glisser le faisceau de fils enduits. Dans ce cas il est possible de se passer
des
bagues de maintien ou même des clinquants longitudinaux.
L'invention porte également sur une pièce de forme allongée comprenant au
moins un renfort fibreux dans le sens longitudinal, obtenue selon le procédé
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précédent dont la section transversale du renfort a une forme non
rectangulaire ou carrée, telle que trapézoïdale ou ovale.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts détails caractéristiques et
avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés
à
titre d'exemple purement illustratif et non limitatif en référence aux dessins
schématiques annexés.
Sur ces dessins
La figure 1 montre les différentes étapes la, à l d de fabrication
d'une pièce de forme allongée selon l'art antérieur ;
La figure 2 représente une vue de côté d'une installation de
fabrication d'un insert rectiligne conforme à l'invention ;
La figure 3 montre l'installation de la figure 2, vue de face
La figure 4 montre un insert fabriqué conformément à l'invention
La figure 5 montre une variante de filière de forme.
Sur la figure la, extraite de la demande de brevet FR 2.919.284 aux noms de
Snecma et de Messier-Dowty, on voit un conteneur 1 avec un corps principal 4
de forme allongée, destiné à former une bielle d'un train d'atterrissage par
exemple. On a usiné une rainure 41 sur chacune des deux faces du corps 4.
Cette rainure permet le logement d'un insert 3 qui comprend deux portions
rectilignes parallèles ou non entre elles réunies aux extrémités par une
portion
en arc de cercle. Les inserts sont du type à fibres céramiques enduites de
métal tel que le titane.
Les rainures et les inserts sont de formes complémentaires de manière à ce
que l'insert soit ajusté sans jeu dans la rainure. On note que la rainure dans
le
conteneur et le tenon sur le couvercle doivent parfaitement s'assembler pour
éviter que les fibres, qui ont un très faible diamètre, de l'ordre de 0,25 mm,
ne
puissent s'échapper lors de la compaction isostatique à chaud. Deux
couvercles 5 sont pourvus d'une partie en saillie formant tenon 51 et viennent
recouvrir les faces du corps 4. Le tenon vient en appui sur l'insert logé dans
la
rainure et colmate cette dernière. On soude, par exemple par faisceau
d'électron, le couvercle 5 au corps 4 en assurant le vide à l'intérieur du
conteneur.
Le conteneur est visible sur la figure 1 b ; il est en partie arraché pour
montrer
les inserts. Le conteneur est ensuite disposé dans une enceinte appropriée
pour y subir un traitement de compaction isostatique à chaud. Ce traitement a
pour but de rendre le conteneur, son couvercle et les nappes de fils enduits
solidaires entre eux et former une pièce monolithique. La coupe transversale
du conteneur de la figure l c montre que les bords 42 de la rainure 41 sont
chanfreinés de manière à ménager un jeu avec la partie du couvercle 5
adjacente au tenon 51. Lors de l'opération de compaction isostatique à chaud,
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la pression est exercée selon la direction perpendiculaire à la surface du
couvercle générant l'affaissement des couvercles.
La chaleur et la pression, respectivement de l'ordre de 1000 C et 1000 bars
permettent au métal de la matrice de combler les vides entre les fils enduits
constituant l'insert. Le volume de l'insert diminue d'environ 23%. Le tenon
est
ainsi déplacé en direction du fond de la rainure et le jeu de part et d'autre
du
tenon est absorbé. A la fin du processus, les parties métalliques se sont
soudées par diffusion et l'insert de fils enduits s'est compacté; la pièce est
ainsi renforcée par les fils enduits emprisonnés dans la masse.
La figure l d représente l'ébauche de pièce obtenue avec deux inserts visibles
en transparence. L'ébauche est ensuite usinée de manière à obtenir la pièce
souhaitée. Les fibres céramiques sont ainsi incorporées dans les zones de la
pièce qui assurent la transmission des efforts en traction et compression.
Les inserts utilisés selon l'enseignement de ce brevet FR 2 919 283 sont de
forme annulaire mais comme cela l'a été décrit dans la demande de brevet
FR 2 919 284, ils peuvent être formés d'éléments allongés en barreaux. Dans
ce dernier cas les inserts sont incorporés, selon la technique exposée dans ce
document, dans le conteneur après avoir été auparavant compactés.
La réalisation des inserts rectilignes selon FR 2 919 284 comprend
l'enroulement des fils enduits autour d'un dispositif de bobinage de forme
annulaire avec des portions rectilignes. La forme peut être oblongue, avec des
portions rectilignes, ou bien polygonale dont les côtés du polygone
constituent
les portions rectilignes.
Après formation de l'enroulement du ou des fils enduits en un anneau, les
spires de l'anneau sont immobilisées entre elles au moyen de sangles
métalliques soudées. L'ensemble est incorporé dans un conteneur et subit un
traitement de compaction isostatique à chaud selon la technique décrite ci-
dessus. A partir de la pièce semi finie on usine des inserts compacts de forme
allongée que l'on incorpore individuellement dans des conteneurs pour la
fabrication de pièces avec des renforts en fibres céramiques.
Conformément à l'invention, on simplifie la réalisation des inserts en formant
des inserts de forme allongée constitués directement de fils enduits 13
assemblés à la manière de fagots ou de faisceaux.
En se reportant à la figure 2, un exemple d'installation permettant la mise en
oeuvre du procédé de l'invention comprend un dévidoir 10 supportant une
pluralité de rangées de bobines 12 sur lesquelles sont enroulés les fils
enduits
13. Les fils enduits sont entraînés depuis leurs bobines respectives dans un
système de glissières à goulotte 14 vers lequel ils convergent. Le système
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rassemble les fils enduits en un faisceau. A ce stade le faisceau est
relativement foisonnant. Les fils enduits sont disposés de manière
avantageuse en une pluralité de sous ensembles ou couches de fils enduits
13 juxtaposés, parallèles entre eux.
Un clinquant ou feuille métallique 16, mince, est disposé sur le fond de
l'outillage en forme de gouttière 14. Le métal du clinquant est de préférence
le
même que celui de la pièce métallique à laquelle l'insert est destiné. Il
s'agit
par exemple d'un alliage de titane.
Les fils enduits reposent sur le clinquant inférieur 16. Ils sont empilés les
uns
sur les autres par exemple en nappes. La largeur des nappes, le nombre de
fils enduits qui constituent les nappes, peut varier depuis la base jusqu'à la
nappe supérieure. Par exemple, le faisceau peut avoir une forme trapézoïdale
en section. Un clinquant 15 est placé sur le sommet de l'empilement des
nappes de fils enduits.
Le nombre de fils dans les nappes n'est pas limitatif, il dépend de la pièce à
fabriquer, la représentation des figures est simplement indicative, le
diamètre
des fils n'est pas à la même échelle que celle de la gouttière. Les fils
enduits
sont juxtaposés dans les nappes sans flottement ou avec un minimum de
flottement entre les fils. A ce stade les fils enduits n'ont subi aucune
contrainte
transversale.
Au lieu de nappes on peut disposer les fils en sous ensembles formés de
faisceaux élémentaires que l'on réunit en un faisceau unique, 13f.
Le faisceau 13f de fils enduits est ainsi guidé à travers l'élément
conformateur
17 où il subit une compression transversale. L'élément conformateur
comprend ici deux galets 17g à axes horizontaux. Comme on le voit sur la
figure 3, les galets sont montés à rotation dans un bâti 17b. L'écartement
entre
les deux galets peut être ajusté par déplacement vertical de leur support. Des
moteurs appropriés éventuellement, non représentés, les entraînent en
rotation. Le contour de la section de passage de l'élément conformateur est
complété par deux supports fixes, formant des glissières 171, disposés
latéralement de part et d'autre du faisceau. Les supports 171 sont solidaires
du
bâti 17b. Selon cet exemple, ils sont inclinés par rapport à la verticale. Le
contour de la section de passage de l'élément conformateur est ainsi
trapézoïdal.
En passant au travers de l'élément conformateur, le faisceau de fils enduits
prend la forme de l'élément conformateur, ici trapézoïdal. En sortie de
l'élément conformateur, il est donc nécessaire d'assurer le maintien du
faisceau dans la forme donnée.
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Des petits clinquants 18 formant des sangles sont ensuite mis en place pour
maintenir l'ensemble, en faisant le tour du faisceau de fils enduits.
Le faisceau est ainsi tiré à travers l'élément conformateur au moyen d'un
outil
de traction par l'intermédiaire de pinces par exemple.
L'insert 13i est représenté fini à la figure 4.
On comprend que le présent procédé n'est pas limité à la réalisation d'inserts
de section carrée, rectangulaire ou trapézoïdale. De nombreuses formes sont
à la portée de l'homme du métier. On peut disposer dans l'élément
conformateur une pluralité de rouleaux ou galets autour du faisceau pour lui
donner une forme polygonale. Les côtés du polygone peuvent être droits mais
ils peuvent aussi être courbes. Il suffit de choisir un profil convenable.
La forme et les dimensions transversales de l'élément conformateur peuvent
être définies par la géométrie et les dimensions de l'insert que l'on souhaite
utiliser. Dans ce cas on détermine le nombre de fils enduits nécessaire pour
former l'insert. Inversement on peut avoir besoin d'un insert avec un nombre
déterminé de fils enduits. Dans ce cas, on ajuste la section de passage de
l'élément conformateur de manière à ce qu'il puisse contenir en sortie le
nombre souhaité de fils enduits.
Il est avantageux de disposer d'éléments de guidage réglables en position
transversalement pour permettre en position rétractée la mise en place du
faisceau de fils enduits avant qu'ils ne soient serrés sur le faisceau. Le
réglage
de l'écartement des galets et des supporte métalliques permet d'ajuster la
section de passage et celle de sortie du faisceau de fils enduits.
II peut être également avantageux de disposer des éléments vibrants
favorisant le tassement des fils enduits dans le faisceau.
La figure 5 montre un autre exemple non limitatif de réalisation de l'élément
conformateur. Elle est formée de deux galets 17'g d'axes horizontaux et de
profil courbe coopérant avec deux galets 17'l d'axes vertical et de profil
droit.
Le présent procédé permet également la réalisation d'une pluralité d'inserts
simultanément, on découpe les inserts dans la longueur du faisceau ainsi
obtenu.
L'insert une fois terminé ; tel que celui représenté à la figure 4, est
incorporé à
un conteneur métallique selon le procédé connu et décrit ci dessus pour
former une pièce métallique. Comparativement au mode de réalisation de l'art
antérieur illustré par la figure 1, d'une pièce allongée, on réalise des
rainures
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rectilignes dans lesquelles on dispose deux inserts rectilignes par face du
conteneur. Pour le reste le procédé est le même.
Conformément à un mode de réalisation particulier de la pièce métallique, l'un
5 des clinquants est utilisé à la fois comme support et comme couvercle du
conteneur métallique dans lequel l'insert est disposé. Le couvercle est soudé
sur le conteneur tout en réalisant le vide dans la pièce avant le traitement
de
compaction isostatique à chaud.
