Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Mélange de poudres apte à être fritté pour former
un matériau solide autolubrifiant
L'invention concerne un nouveau matériau solide autolubrifiant ; un
procédé d'élaboration d'un tel matériau à partir d'un mélange de poudres ;
ledit mélange de poudres ; et des pièces mécaniques réalisées en ce nouveau
matériau.
Les matériaux solides autolubrifiants, à sec, sont généralement utilisés
pour la fabrication de pièces mécaniques comme des douilles, des rotules ou
des pivots, soumises à des frottements importants alors que leurs conditions
io de fonctionnement rendent impossible l'utilisation de lubrifiants
liquides de
type huile ou graisse. C'est le cas des douilles utilisées pour protéger les
pieds
d'aube à calage variable, dans les compresseurs de turboréacteurs d'avions.
Ces douilles sont généralement montées serrées dans des orifices
ménagés dans le carter de stator du compresseur. Elles reçoivent les pieds
des aubes à calage variable du compresseur. Un exemple de ce type de
douille est décrit dans le brevet US publié sous le n US 6,480,960 B2.
Les ensembles douille/pied d'aube sont soumis à de nombreux
frottements liés au pivotement des aubes à l'intérieur des douilles ou aux
vibrations causées par le fonctionnement du turboréacteur. Les douilles sont
réalisées en un matériau plus mou que celui des pivots de sorte qu'elles
s'usent en priorité et protégent ainsi ces derniers.
De manière à limiter l'usure desdites douilles (et ainsi leur fréquence de
remplacement), il est intéressant de diminuer les frottements au niveau des
surfaces de contact entre ces douilles et les pivots d'aube. Pour cette
raison,
on réalise ces douilles en un matériau solide autolubrifiant, par frittage à
partir
d'un mélange intime de poudres.
Un tel mélange comprend généralement une poudre d'un alliage
métallique, précurseur de la matrice du matériau autolubrifiant et des
particules d'un lubrifiant solide, stables aux températures d'élaboration et
d'utilisation du matériau de sorte qu'elles ne réagissent pas avec ledit
alliage
métallique et restent intègres de manière à pouvoir exercer leur action
lubrifiante. Bien entendu, plus la proportion de ces particules dans le
mélange
est importante, meilleures sont les propriétés autolubrifiantes du matériau
final (par matériau final, on entend le matériau réalisé à partir dudit
mélange
de poudres).
Toutefois, la société demanderesse a pu constater qu'au-delà d'une
certaine proportion de ce type de lubrifiant solide dans le mélange intime,
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évaluée à 10 h en volume, des problèmes de densification apparaissent et le
mélange de poudres est plus difficile à fritter. En pratique, on doit
augmenter
la température et la durée du frittage ou utiliser des techniques de pressage
plus complexes, comme le pressage isostatique à chaud, pour pouvoir
densifier le mélange de poudres, ce qui a pour conséquence une
augmentation du prix de revient des pièces fabriquées. Dans tous les cas, le
matériau final présente une porosité importante et ses propriétés mécaniques
s'en trouvent affectées.
Par ailleurs, au-delà d'une proportion limite de lubrifiant évaluée à 15 A)
en volume, on constate généralement qu'il devient très difficile, voire
impossible de fritter le mélange de poudres.
La présente invention a pour but de proposer un mélange de poudres qui
puisse être fritté facilement et qui permette de réaliser un matériau
présentant de bonnes propriétés autolubrifiantes.
Pour atteindre ce but, l'invention a pour premier objet un mélange de
poudres apte à être fritté pour former un matériau solide autolubrifiant,
caractérisé en ce qu'il comprend une poudre d'un alliage métallique,
précurseur de la matrice dudit matériau solide autolubrifiant, des particules
d'un premier lubrifiant solide destinées à s'insérer dans ladite matrice sans
interagir avec ledit alliage métallique lors du frittage de la poudre et des
particules d'un deuxième lubrifiant solide destinées à réagir avec un
composant dudit alliage métallique lors du frittage de la poudre pour former
une phase lubrifiante.
L'invention réside donc dans l'utilisation de deux types de lubrifiants
solides, ayant des modes d'intégration différents dans la matrice du matériau
final. Grâce à cette différence, on a constaté qu'un mélange comprenant x %
de premier lubrifiant solide et y A) de deuxième lubrifiant solide est plus
facilement frittable qu'un mélange comprenant un seul des deux types de
lubrifiant dans une proportion de xi-y %.
Avantageusement, pour faciliter le frittage dudit mélange, la proportion
du premier lubrifiant solide dans ce mélange est de l'ordre de ou inférieure à
15 h en volume et, de préférence, de l'ordre de ou inférieure à 10 % en
volume. De même, la proportion du deuxième lubrifiant solide dans ledit
mélange est de l'ordre de ou inférieure à 15 % en volume et, de préférence,
de l'ordre de ou inférieure à 10 A) en volume.
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Avantageusement encore, pour obtenir de bonnes propriétés
autolubrifiantes pour le matériau final, la somme des proportions des premier
et deuxième lubrifiants solides est supérieure à 10 % en volume et, de
préférence, supérieure à 15 % en volume.
Ainsi, il peut être intéressant de choisir des proportions de premier et de
deuxième lubrifiant solide chacune comprise entre 5 et 10 % en volume, la
somme desdites proportions étant supérieure à 10 hi en volume, voire à
% en volume.
Un deuxième objet de l'invention est un procédé d'élaboration d'un
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matériau solide autolubrifiant, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes
consistant à : réaliser un mélange de poudres du type de celui précédemment
décrit, conformément au premier objet; mélanger intimement ledit
mélange (c'est-à-dire réaliser un mélange bien uniforme); et fritter le
mélange
intime obtenu.
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Avantageusement, pour faciliter l'agglomération des particules du
mélange de poudres, on ajoute un liant audit mélange intime.
Le mélange intime ainsi réalisé peut alors être moulé par pressage ou
injection dans un moule de manière à former une ébauche de la pièce que
l'on souhaite fabriquer. Cette ébauche est ensuite extraite du moule, puis le
liant est évacué de manière conventionnelle lors d'une étape de déliantage
catalytique ou thermique, et ladite ébauche est enfin densifiée par frittage.
Ce
procédé permet de fabriquer en grande série des pièces de forme très
complexe à partir du mélange de poudres de l'invention, et permet donc de
réduire le prix de revient desdites pièces.
Un troisième objet de !Invention est un matériau solide autolubrifiant
comprenant une matrice en alliage métallique et des particules d'un lubrifiant
solide, insérées dans ladite matrice, caractérisé en ce qu'il comprend, en
outre, une phase lubrifiante comprenant un composé sulfuré à structure
hexagonale.
Un quatrième objet de l'invention est une pièce mécanique, caractérisée
en ce qu'elle est réalisée en un matériau du type de celui précédemment
décrit, conformément au troisième objet.
Avantageusement, cette pièce mécanique est une douille destinée à
recevoir un pied d'aube de compresseur de turboréacteur d'avion, à calage
variable.
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L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la
description détaillée qui suit. Cette description fait référence aux figures 1
et 2
annexées qui représentent respectivement un premier et un deuxième type de
montage comprenant une douille pour aube de compresseur de turboréacteur.
Selon un premier aspect du mélange de poudres de l'invention, on peut
choisir comme alliage métallique, précurseur de la matrice du matériau solide
autolubrifiant final, un alliage de base fer, nickel ou cobalt. On peut citer
comme exemple d'alliage de base nickel un alliage de type Astroloy (marque
déposée) et plus particulièrement une nuance comprenant 17,3 % de cobalt,
14,3 % de chrome, 4 % d'aluminium et 3,5 % de titane. On peut également
citer comme exemple d'alliage de base fer, un alliage de type TY355
(marque déposée) comprenant 1,23 % de carbone, 4,05 % de vanadium,
4,68 % de chrome, 4,45 % de molybdène et 5,46 % de tungstène. Ces deux
exemples d'alliage sont choisis pour leur tenue à l'oxydation à hautes
températures et leurs propriétés mécaniques, en particulier leur dureté
supérieure à 400 HV.
Selon un deuxième aspect du mélange de poudres de l'invention, on peut
choisir comme premier lubrifiant solide, le trifluorure de cérium CeF3. Le
CeF3
est un sous produit des terres rares qui présente un bon comportement à
l'usure, en particulier grâce à sa structure hexagonale lamellaire. En outre,
le
CeF3 a un bon comportement à hautes températures, jusqu'à 1000 C, ce qui
rend le mélange de poudre (ou le matériau solide autolubrifiant élaboré à
partir de ce mélange) particulièrement approprié pour la réalisation de pièces
mécaniques soumises à de hautes températures en fonctionnement, comme
les douilles pour aube de compresseur de turboréacteur.
Pour s'assurer que les particules de premier lubrifiant solide s'insèrent
facilement dans la matrice métallique du matériau final, on choisit la taille
moyenne des particules de premier lubrifiant solide en fonction de la taille
moyenne des particules d'alliage métallique.
Pour que le mélange de poudres puisse être moulé par pressage ou
injection dans un moule, la taille moyenne des particules d'alliage métallique
est comprise, de préférence, entre 5 et 100 micromètres. Dans ce cas, on
choisit la taille moyenne des particules de premier lubrifiant solide
inférieure à
50 micromètres, de manière à permettre aux particules de premier lubrifiant
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solide de former des agglomérats de différentes tailles capables de s'insérer
dans ladite matrice.
Selon un troisième aspect du mélange de poudres de l'invention, on peut
choisir comme deuxième lubrifiant solide du bisulfure de tungstène WS2 ou du
5 bisulfure de molybdène M0S2.
Ces composés appartiennent à la famille des dichalcogénures et ont une
structure hexagonale lamellaire. Ils réagissent avec l'alliage métallique
précurseur de la matrice pour donner naissance à au moins une phase
lubrifiante comprenant au moins un composé sulfuré à structure hexagonale.
Dans le cas d'un alliage comprenant du chrome, on peut constater,
notamment par analyse de diffraction X, qu'il se forme une phase
autolubrifiante majoritaire de sulfure de chrome Cr7S8. Dans le cas
particulier
d'un alliage de type Astroloy , des sulfures de titane et de cobalt se forment
également mais en plus petite quantité que Cr7S8. Dans le cas d'un alliage de
type TY355 , des sulfures de chrome et de vanadium se forment.
Plus la proportion du deuxième lubrifiant solide dans le mélange est
importante, plus il se forme de composés à structure hexagonale et meilleures
sont les propriétés d'autolubrification du matériau final.
Du point de vue de la granulométrie du deuxième lubrifiant solide, on
obtient de bons résultats lorsque cette dernière reste inférieure à
50 micromètres.
Dans le cas particulier d'un mélange comprenant une poudre d'alliage de
type Astroloy , CeF3 en tant que premier lubrifiant solide et WS2 en tant que
deuxième lubrifiant solide, on constate, conformément à ce qui a été
précédemment décrit, qu'au-delà de 10 % en volume de CeF3 dans le
mélange, des difficultés de frittage et de densification deviennent
importantes.
Comme ces difficultés deviennent tangibles à partir de 7 /0, on peut préférer
garder la proportion de CeF3 et plus généralement la proportion de premier
lubrifiant solide, en dessous de 7 h en volume.
D'autre part, on constate également qu'au-delà de 10 % en volume de
WS2 dans le mélange, des difficultés de frittage et de densification
apparaissent.
Les propriétés autolubrifiantes du matériau solide final peuvent être
évaluées en mesurant le coefficient de frottement entre ce matériau final et
un matériau de référence. Ces propriétés se révèlent intéressantes à partir du
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moment où la somme des proportions de CeF3 et de WS2 dépasse 10 % en
volume et, avantageusement, 15 h en volume.
Ainsi, on constate de bons résultats, en ce qui concerne le frittage et la
lubrification, avec un mélange de poudres comprenant : de 5 à 10 % ou de 5
s à 7 % en volume) de CeF3; de 5 à 10 % en volume de WS2; et tel que la
somme des proportions de CeF3 et de WS2 dépasse 10 h, voire 15 h, en
volume.
Par ailleurs, comme les propriétés lubrifiantes du premier lubrifiant solide
et de la phase lubrifiante dépendent de la température, on peut faire en sorte
que les plages de températures dans lesquelles ces propriétés lubrifiantes
sont
optimales, ne se superposent pas. Pour illustrer ceci, dans l'exemple précité
les propriétés lubrifiantes de la phase de Cr7S8 sont optimales à des
températures de l'ordre de ou inférieures à 250 C, tandis que les propriétés
lubrifiantes de CeF3 sont optimales à des températures de l'ordre de ou
supérieures à 250 C. De cette manière, le matériau solide fabriqué à partir
du mélange de poudres, présente des propriétés autolubrifiantes suffisantes,
quelle que soit la température à laquelle il est utilisé.
Il est également possible de faire en sorte que ces propriétés
autolubrifiantes soient sensiblement constantes sur une plage de
températures importante, par exemple de 100 C à 400 C.
La composition du mélange de poudres selon l'invention et du matériau
autolubrifiant obtenu à partir d'un tel mélange étant bien comprise, nous
allons maintenant décrire un exemple de pièce mécanique pouvant être
réalisée à partir de ce matériau, en référence aux figures 1 et 2.
Ces figures représentent une aube 3 à calage variable, sur un carter 5 de
stator de compresseur de turboréacteur d'avion.
Les aubes 3, dites fixes , du stator sont disposées radialement à
intervalles réguliers à l'intérieur du carter 5. Elles sont fixées au carter 5
par
leur pied 7 avec un certain angle de calage qui détermine la direction de
passage de l'air à travers le compresseur. Les aubes 3 sont dites à calage
variable car elles peuvent pivoter autour de leur pied 7 de manière à faire
varier l'angle de calage.
Des ouvertures 9 sont ménagées dans le carter 5 pour recevoir les pieds
d'aube 7, ces ouvertures 9 et ces pieds 7 étant cylindriques. Pour limiter les
frottements entre chaque pied 7 et le carter 5, on dispose entre ces deux
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éléments des douilles 11 réalisées en un matériau solide autolubrifiant selon
l'invention.
Il est possible d'utiliser une ou deux douilles 11 par ouverture 9, comme
représenté sur les figures. Ces douilles sont montées serrées à l'intérieur de
l'ouverture 9 de manière à rester solidaires du carter 5 même lorsque ce
dernier se dilate à haute température. Chaque douille 11 présente une
collerette 11a qui borde l'ouverture 9 sur la face interne ou externe du
carter 5.
Les douilles 11 visent à protéger le carter 5 et les pieds d'aube 7, en
s'usant à la place de ces derniers éléments et lorsque ces douilles 11 sont
trop
usées, elles sont remplacées.
Comme représenté figure 2, il est également possible de disposer autour
du pied 7 une bague 13 sur laquelle la douille 11 va venir frotter. Cette
bague
13 est montée serrée autour du pied 7 et vise à protéger ce dernier.
Les forces de frottement entrant en jeu dans les précédents montages
dépendent bien entendu des couples de matériaux en présence. Lorsque la
douille est réalisée en un matériau selon les exemples précédents (matrice en
alliage métallique de type Astroloy ou TY355 ; lubrifiant solide CeF3 ; et
phase autolubrifiante Cr7S8) les pieds d'aube 7 peuvent être réalisés en un
alliage métallique de base fer, nickel ou titane, et les bagues 13
éventuelles,
en un alliage métallique de base fer, nickel ou cobalt.
