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CA 02828388 2013-08-27
WO 2012/117213 1
PCT/FR2012/050448
PROCEDE POUR FABRIQUER UNE PIECE METALLIQUE DE REVOLUTION
MONOBLOC INCORPORANT UN RENFORT DE FIBRES CERAMIQUES
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce
métallique creuse de révolution, monobloc, telle qu'un arbre de transmission
de
couple, à partir d'une structure fibreuse composite sous forme de fibres,
nappe de
fibres, tissu de fibres et analogues, lesdites fibres étant enduites de métal.
Art antérieur
Dans le but de répondre aux contraintes permanentes de réduction de
consommation spécifique, on cherche à remplacer certaines pièces forgées dans
une turbomachine par des pièces plus légères et de structure plus simple.
C'est le
cas de l'arbre de transmission de puissance entre l'arbre principal d'un
turboréacteur et son boîtier à engrenage d'entraînement des machines
accessoires du moteur, désigné par l'acronyme AGB dans le domaine. Il s'agit
d'un arbre fin relativement long, de l'ordre du mètre, pour les moteurs de
grand
diamètre et pour lequel il est nécessaire de prévoir en plus des extrémités un
palier intermédiaire assurant son soutien et le passage des modes propres de
fréquences vibratoires
Ces dernières années ont mis en évidence dans de nombreux domaines
techniques, notamment aéronautique, spatial, militaire, automobile, etc....,
l'importance des matériaux composites dans la réalisation partielle ou totale
de
pièces en raison de l'optimisation de la résistance de celles-ci, pour une
masse et
un encombrement minimaux. Pour rappel, une telle structure fibreuse en
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
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métallique assurant une fonction de liant pour 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 revêtues de métal.
Ces matériaux composites peuvent être utilisés pour réaliser des pièces de
révolution annulaires de turbomachine pour aéronef ou autre application
industrielle, comme des bagues, des arbres, des corps de vérin, des carters,
des
entretoises, des renforts de pièces monolithiques telles des aubes, etc....
Un procédé connu pour fabriquer des pièces de révolution creuses à
structure monobloc consiste à superposer, autour d'un mandrin cylindrique, des
structures fibreuses (fibres, nappe de fibres ou tissu de fibres) successives
puis à
disposer les structures fibreuses composites enroulées dans un outillage de
réception spécifique pour compacter et lier celles-ci par soudage diffusion et
obtenir au final la pièce de révolution en matériau composite. Un procédé de
fabrication d'une pièce de révolution par drapage d'une nappe de fibres est
décrit
dans la demande de brevet EP1726 678, au nom de la demanderesse.
Un autre procédé connu consiste à enrouler des fibres céramiques, mais
non enduites, autour d'un mandrin en interposant des fils métalliques entre
les
fibres céramiques. Ce procédé a été breveté par la demanderesse FR 2.713.212
.
Présentation de l'invention
La demanderesse s'est fixé comme objectif la mise au point d'un procédé
permettant de réaliser des pièces de révolution dont le diamètre peut être
très
faible, de l'ordre du diamètre des fils utilisés, mais aussi être élevé en
étant limité
seulement par l'encombrement de l'outillage et dont la longueur dépend des
seuls
moyens utilisés.
C'est ainsi que l'invention a pour objet un procédé pour fabriquer une pièce
de révolution monobloc comprenant la réalisation d'une ébauche de la pièce
autour d'un mandrin cylindrique, l'ébauche comprenant au moins une structure
fibreuse formée de fibres composites céramiques enduites de métal, puis le
traitement de soudage diffusion de l'ébauche par compaction isostatique à
chaud,
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et l'usinage éventuel de l'ébauche ainsi traitée pour obtenir la pièce, et le
procédé
est caractérisé par le fait que l'ébauche comprend au moins une première
couche de fil métallique entre le mandrin et ladite structure fibreuse
composite et
au moins une deuxième couche de fil métallique autour de ladite structure
fibreuse composite de manière à enrober celle-ci.
Le procédé de l'invention permet ainsi d'obtenir une pièce présentant une
raideur suffisante sans augmenter sa masse volumique et dans le cas d'un arbre
de transmission de couple tel que celui rapporté plus haut d'augmenter le
rapport
module d'Young sur masse volumique, de remonter les modes propres de
fréquences vibratoires de la pièce et donc éventuellement de réaliser un arbre
sans palier intermédiaire.
Avantageusement le mandrin est en deux parties tronconiques séparables
l'une de l'autre et formant un diabolo. De cette façon l'ébauche après
compaction
peut être démoulée sans difficulté. La première couche de fil métallique est
de
préférence conformée de manière à présenter après compaction de l'ébauche
une portion cylindrique formant après usinage la paroi intérieure de la pièce.
La
couche de fil métallique peut être formée par enroulement d'un ou plusieurs
fils
métalliques autour du mandrin.
Le fil métallique est par exemple obtenu par tréfilage et est de même
nature que celui qui enduit les fibres composites ; de la sorte on obtient,
après
passage dans l'outillage, une couche métallique homogène ayant une épaisseur
appropriée sur les fibres des structures de renfort.
Le procédé de l'invention présente aussi l'avantage de pouvoir effectuer à
froid, à la température ambiante, les couches superposées de fil métallique et
de
la structure fibreuse.
Conformément à une autre caractéristique du procédé on dispose les fibres
enduites de la structure fibreuse selon une même direction, de préférence la
direction axiale de la pièce.
Plus particulièrement, la structure fibreuse composite est formée par
enroulement de nappes ou de tissu de fibres composites métalliques.
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Conformément à une autre caractéristique, on lie au moins en partie les
couches entre elles par collage, soudage ou au moyen de clinquants.
Conformément à un mode de réalisation particulier, on forme notamment
aux extrémités longitudinales de la pièce, par enroulement de fil métallique,
des
nervures radiales transversales. Ces nervures transversales peuvent être
usinées
et former des pignons d'engrenage par exemple. Selon une variante de
réalisation, on incorpore dans lesdites nervures transversales un renfort de
fibres
céramiques.
Par ailleurs, les fils métalliques utilisés peuvent avoir des diamètres
différents, et des couches à plusieurs enroulements superposés de ces fils
peuvent être prévues en alternance avec les structures fibreuses superposées
dont le nombre peut être supérieur à deux.
Brève description des dessins
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention
peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des
éléments semblables.
La figure 1 montre schématiquement un exemple de pièce cylindrique que
l'on peut obtenir avec le procédé de l'invention ;
La figure 2 montre l'étape de formation de la première couche de fil
métallique de l'ébauche de pièce selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 3 montre l'étape de formation de la couche de structure fibreuse
en fibres céramiques enduites ;
La figure 4 montre l'étape de formation de la deuxième couche de fil
métallique ;
La figure 5 montre schématiquement l'étape de compaction isostatique à
chaud de l'ébauche
Les figures 6 et 7 montrent une variante de mise en oeuvre du procédé de
l'invention.
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La figure 8 montre une autre variante de mise en oeuvre du procédé de
l'invention pour la réalisation d'une pièce présentant une nervure radiale
transversale.
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Description détaillée de l'invention.
Le procédé a pour but la fabrication d'une pièce de révolution monobloc,
annulaire 1, uniquement à partir d'éléments allongés se présentant sous la
forme
de fils, fibres ou analogues, comme on le verra ci-après. L'invention vise
plus
particulièrement la formation de pièces de grande longueur par rapport à leur
diamètre. La figure 1 montre en coupe longitudinale la pièce creuse
cylindrique
de paroi 2 métallique, d'axe XX, et incorporant des fibres de renfort 3, en
matériau
céramique, en une ou plusieurs couches, de préférence toutes les fibres d'une
même couche ayant une même orientation telle qu'axiale.
Pour obtenir ce type de pièce, on utilise un mandrin cylindrique 10 d'axe
longitudinal X autour duquel on forme la pièce. Le mandrin est de préférence
en
forme de diabolo, en deux parties tronconiques 10a et 10b qui sont fixées
l'une à
l'autre par leur sommet, de manière amovible de façon à pouvoir les séparer
l'une
de l'autre. Le demi-angle alpha au sommet des deux cônes, exagéré sur la
figure,
est de l'ordre de 6 à 7 . La forme diabolo a pour but de permettre le
démoulage
de la pièce après compaction des fils et fibres comme on le verra par la
suite. On
enroule, dans une première étape, un fil métallique 4 autour du cylindre de
manière à former une première couche de fil métallique. Compte tenu de
l'application de la pièce 1 au domaine aéronautique, le fil métallique 4 est
réalisé
notamment en un alliage de titane de type TiA6V ou Ti6242 assurant résistance
thermomécanique et légèreté, et il est obtenu notamment par tréfilage de
manière
à pouvoir être disponible sous forme de bobine ou de dévidoir duquel est tiré
le
fil.
Des moyens autres que le tréfilage sont envisageables.
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Dimensionnellement, son diamètre dépend de la pièce à obtenir et peut-être de
l'ordre de quelques dixièmes de millimètre à plusieurs millimètres.
Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le fil tréfilé métallique 4 est issu
d'une bobine non représentée et est entraîné, de façon sensiblement
perpendiculaire à l'axe X, autour du mandrin cylindrique 10 sur une étendue
prédéterminée correspondant à la longueur que l'on souhaite obtenir, après
fabrication, pour la pièce de révolution 1, en formant ainsi plusieurs spires
jointives, et sur une ou plusieurs épaisseurs superposées de manière à former
la
première couche de fil métallique 6. On pourrait également utiliser plusieurs
fils
métalliques ou un ou plusieurs fils métalliques avec un diamètre différent du
fil
métallique 4. En raison de la conicité du cylindre 10, la première couche a
une
section longitudinale triangulaire. Une des fonctions de la couche 6 est de
combler la partie de démoulage jusqu'au diamètre intérieur de la pièce finie,
après son usinage.
Le procédé se poursuit par une deuxième étape montrée sur la figure 3 et
consistant à disposer une structure fibreuse composite 7 autour de la première
couche 6 de fil métallique 4.
La structure fibreuse composite 7 peut se présenter sous la forme d'un
tissu de fibres céramiques enduites 9 associées parallèlement entre elles et
réalisées en céramique (SiC) ou en un matériau analogue enduit de métal. Ce
dernier et le métal du fil tréfilé sont de préférence de nature identique (en
TiA6V
ou en 6242 par exemple) pour optimiser l'étape ultérieure du procédé relative
à
l'opération de compaction isostatique à chaud. Le tissu de la structure
fibreuse 7
est enroulé autour du bobinage de la première couche 6 de fil métallique 4 de
façon que les fibres 9 soient disposées toutes selon la même orientation par
exemple et de préférence parallèlement à l'axe longitudinal X du mandrin 10.
Une seule couche du tissu est formée autour de la première couche de fil
4. Bien entendu, un enroulement de plusieurs couches pourrait être prévu à
partir
du même tissu, voire à partir d'un ou de plusieurs autres tissus distincts
enroulés
concentriquement. Les tissus peuvent être de différentes espèces, de
différents
diamètres de fil enduits. La longueur de la structure fibreuse composite 7 est
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inférieure ou égale à la longueur de la surface extérieure de la première
couche 6
de fil métallique. Il est à noter que la surface extérieure de cette dernière
peut
être bombée pour tenir compte de la compaction de la couche 6 par le
traitement
de compression isostatique à chaud. Après ce traitement cette surface doit de
préférence être cylindrique droit.
Selon une troisième étape du procédé illustrée en regard de la figure 4, on
dispose, autour du tissu de la structure fibreuse composite 7, un fil
métallique, par
exemple tréfilé, 5 qui provient d'une bobine non représentée et qui est amené
sensiblement orthogonalement à l'axe longitudinal X du mandrin cylindrique
rotatif
10. Le fil métallique 5 forme une deuxième couche 8 de spires jointives autour
du
tissu de la structure fibreuse 7. La deuxième couche 8 peut comprendre un
enroulement de plusieurs épaisseurs. Egalement, comme pour la première
couche, au lieu de l'enroulement d'un fil métallique, on peut mettre en place
une
pluralité de fils métalliques ou une nappe de fils métalliques. Lorsqu'on
utilise
plusieurs fils ceux-ci peuvent être de même diamètre ou de diamètres
différents.
Les fils peuvent aussi être des fils métalliques pré-assemblés sous la forme
de
câbles. Des couches de clinquants peuvent aussi être enroulées avec la
deuxième couche. Selon une caractéristique du procédé, le ou les fils
métalliques
5 sont enroulés de manière à enrober intégralement les fibres composites de la
structure fibreuse 7 sous jacente. Comme on le voit sur la figure 4, en
particulier
la deuxième couche 8 recouvre la partie de la première couche 6 de fil
métallique
qui n'est elle-même pas recouverte par la structure fibreuse 7.
On obtient une ébauche E de la pièce de révolution à réaliser, qui est
constituée uniquement à partir de fils métalliques 4 et 5 et d'une structure 7
à
fibres composites sous forme individuelle, en nappe, en tissu ou autre.
Puis, comme le montre la figure 5, l'ébauche E est soumise à traitement de
compression isostatique à chaud (CIO) dans une presse isotherme ou sous sac
dans un autoclave (le choix dépendant notamment du nombre de pièces à
produire). On met en place un système de couvercle sur l'ébauche de forme
complémentaire. Comme l'ébauche est cylindrique, le couvercle, en plusieurs
parties, forme une enveloppe cylindrique autour de l'ébauche.
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Sous l'action de la compression exercée (par suite d'une haute pression
appliquée selon la flèche F) sous une température élevée appropriée, le métal
des fils métalliques et de l'enrobage des fibres des structures devient pâteux
et
flue supprimant tous les espaces vides entre les spires et couches, puis leur
soudage diffusion densifiant au final la pièce.
Dans une variante l'ensemble est placé dans une poche deformable en
acier doux laquelle est ensuite introduite dans un autoclave. Cet autoclave
est
porté à une pression isostatique de 1000 bars et une température de 940 C
(pour
le TiA6V), de sorte que la totalité de la poche se déforme en se rétractant
par
l'évacuation de l'air et s'applique contre le mandrin et le couvercle qui, à
leur tour,
compriment sous une pression uniforme les enroulements de fil et fibre
jusqu'au
fluage du métal les constituant avec liaison par soudage diffusion.
Avantageusement, plusieurs poches peuvent être ainsi introduites dans
l'autoclave pour réaliser simultanément les pièces, réduisant les coûts de
fabrication.
Ainsi, après arrêt du traitement CIC, refroidissement et démoulage, on
usine l'ébauche pour obtenir la pièce de révolution monobloc composite 1,
représentée sur la figure 1, qui est réalisée en métal avec en son coeur les
fibres
formant des inserts de renfort.
L'outillage formé par le mandrin cylindrique 10 et le système de couvercle
est de préférence constitué d'un matériau qui permet son utilisation à nouveau
pour la fabrication d'une autre pièce. Il s'agit par exemple d'un superalliage
qui
résiste à la température et à la pression du traitement en conservant son
intégrité.
Bien évidemment, la direction d'orientation des fibres pourrait être
différente de celle décrite ci-dessus (parallèle à l'axe du mandrin), de même
que
le choix d'un tissu en tant que structure fibreuse interne n'est nullement
obligatoire, tout autre choix pouvant être envisagé. Il convient également de
préciser que les étapes d'enroulement des fils et des structures fibreuses
s'effectuent à la température ambiante sans avoir recours à une installation
complexe.
A titre d'exemples, les fibres composites enduites peuvent être, outre en
SiC/Ti comme décrit ci-dessus, en SiC/AI, SiC/SiC, SiC/B, etc....
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Dimensionnellement, le rayon minimal du mandrin est fonction du
diamètre du fil métallique et doit être supérieur à ce dernier. Concernant la
longueur de la pièce, elle peut atteindre plusieurs mètres si nécessaire.
Conformément à une variante de mise en oeuvre, représentée sur les
figures 6 et 7, on adjoint des flasques 13a et14b au mandrin, du côté des
extrémités libres des demi mandrins 10'a et 10'b, de manière à compléter le
support de la deuxième couche 8' de fil métallique lorsque celle-ci a un
diamètre
supérieur à celui du mandrin 10'a, 10'b. L'épaisseur des différentes couches
appliquées tient compte de leur foisonnement, en vue du résultat que l'on
souhaite obtenir après traitement CIC. Le système de couvercle 12' tel que
représenté sur la figure 7 est adapté à la géométrie externe de l'ébauche.
Conformément à une autre variante de réalisation, le procédé de l'invention
permet de fabriquer des pièces en forme d'haltère, c'est-à-dire avec des
nervures
radiales transversales. Il suffit pour les obtenir d'adapter la géométrie de
la
deuxième couche de manière à former ces nervures. L'épaisseur de cette
deuxième couche est augmentée dans ce but à l'endroit souhaité. Ainsi sur la
figure 8 on voit un détail de l'ébauche réalisée de cette façon. La deuxième
couche 8" de fil métallique est formée par enroulement de fil métallique de
manière à présenter une partie formant une nervure transversale 8"a. cette
nervure après le traitement CIC forme une nervure radiale transversale sur la
pièce. La fonction de cette nervure peut être une bride de fixation terminale
ou
bien un pignon après usinage de dents radiales.
Dans le but de renforcer encore la résistance mécanique de cette nervure
on peut inclure des fibres céramiques 8"h de longueur adaptée à la largeur de
la
nervure après CIC. Si les fibres de renfort sont orientées transversalement à
l'axe
de la pièce alors elles peuvent être mise en place par enroulement comme le
sont
les fils métalliques. Si l'orientation choisie des fibres de renfort doit être
axiale,
alors on les mettra en place sous la forme de nappes ou de tissu comme la
couche de renfort 7.
On observe que la forme du couvercle 12" est également adaptée à celle
de l'ébauche de pièce réalisée sur le mandrin 10".
