Brevet FR2064172A1 — publié le 19710716

La présente invention concerne une matière composite à haute résistance formée par une matrice métallique dans laquelle sont noyées des fibres ayant une haute résistance. Ces derniers "temps, on utilise de telles matières compo-5 sites dans les domaines les plus divers de la technique car elles ont d'excellentes caractéristiques mécaniques, une résistance élevée aux flexions alternatives et une densité très faible, de sorte qu,elles réunissent des propriétés très favorables pour des éléments de construction exposés à des charges élevées. 10 II existe déjà toute une série de matières composites. A 1*origine, on\ utilisait une masse de résine synthétique renforcée par des fibres de verre. Afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques de ces matières, on a créé des matières composites formées par une matrice en résine synthétique dans laquelle sont 15 noyées des fibres de carbone. De tels corps composites ont un important inconvénient. En effet, en raison de la faible adhérence des fibres de carbone dans la matrice en résine synthétique, la liaison entre les deux composantes disparaît presqu1entièrement lorsque la matière est exposée de façon continue à des flexions. 20 Les bonnes caractéristiques mécaniques des composantes - telles que la haute résistance et la ténacité - ne sont donc pas mises à profit. En outre, la résine synthétique renforcée par des fibres de carbone peut seulement supporter une température d'environ 25 230°C, car la matrice de résine ne résiste pas à des températures plus élevées. Il en résulte une limitation considérable du domaine d1application de ces matières; il n'est notamment pas possible de les employer pour" la fabrication de turbines à gaz. Il est en outre connu d'utiliser des métaux purs, par 30 exemple de 1*aluminium, comme matrices pour des fibres de carbone} d'un côté on peut alors obtenir une bonne adhérence entre les deux composantes, mais d'un autre côté, il se produit des contraintes internés excessives lors de la fabrication et de l'utilisation du corps composite en raison de la différence entre les coefficients 35 de dilatation thermique des composantes. Ces contraintes provoquent généralement la rupture du corps composite dans le cas d'une sollicitation à la traction ou à la flexion. La fabrication d'un tel corps composite consiste à former line enveloppe d'une épaisseur déterminée sur les fibres de carbone au moyen de procédés connus, 40 par exemple, au moyen d'une métallisation par pulvérisation. Le 69 45655 2 2064172 coefficient de dilatation de l'aluminium est environ trente fois plus élevé que celui des fibres de carbone, de sorte que des forces de cisaillement considérables se produisent, lors du refroidissement après la métallisation, aux surfaces de contact entre 5 le métal et les fibres. On comprime ou en fritte ensuite les fibres de carbone enrobées de métal en les reliant ensemble de façon à obtenir la forme définitive du corps composite. Ce processus augmente également de manière notable les contraintes internes produisant les forces de cisaillement; lorsque ces dernières devien-10 nent plus importantes que l'adhérence, il se produit un relâchement ou un détachement des deux composantes, de sorte que la pièce en matière composite devient inutilisable. Toutes ces matières composites à haute résistance ont donc des inconvénients qui les rendent inutilisables pour la fa-15 brication de pièces soumises à des sollicitations dynamiques et thermiques. L'objet de l'invention est une matière composite à haute résistance formée par un métal et des fibres, et ne présentant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire une matière 20 dont les deux composantes adhèrent fortement l'une à l'autre, qui a une forte résistance aux températures élevées, une grande résistance mécanique, qui est rigide et dont la densité est faible. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les coefficients de dilatation thermique des deux composantes de 25 la matière composite, c'est-à-dire des fibres à haute résistance et d'une matrice formée par un alliage métallique, sont .approximativement identiques et très faibles dans la gamme des températures auxquelles la matière est exposée lors de sa fabrication et de son utilisation. 30 Selon d'autres caractéristiques de l*invention, les fibres à haute résistance sont formées par du carbone, du bore ou des composés de bore, et l'alliage métallique formant la matrice est à base d'un alliage de fer et de nickel dans lequel la propor-„ tion de nickel est comprise entre 3*CYfi et 40/£. 35 Grâce à l'invention, on obtient en outre un avantage supplémentaire qui ne pouvait être réalisé jusqu'à présent, à savoir l'absence de contraintes internes, donc également l'absence de détachement du métal des fibres de carbone en cas de sollicitations thermiques, en raison de l'identité des coefficients de 40 dilatation thermique des deux composantes, coefficients qui sont 69 45655 3 2064172 de préférence proches de zéro. Gomme matrice métallique du corps composite, il apparaît que les alliages de fer et de nickel connus sous le nom "Super-Invar", dont le coefficient de dilatation thermique est extrêmement faible dans l'intervalle de température 5 compris entre 0 et 600°C, soient les seuls à pouvoir convenir actuellement. Les fibrès de carbone n'ont pas non plus de dilatation thermique dans le sens de leur longueur. Bien que les coefficients de dilatation thermique des fibres de bore et de composés de bore soient légèrement plus élevés que ceux des fibres de 10 carbone, ces fibres conviennent également pour le renforcement de la matrice en alliage métallique selon l'invention. L'invention prévoit également plusieurs modes de fabrication de cette matière composite. La description suivante concerne deux possibilités de fabrication, citées à titre d'exemples. 15 Pour permettre une fabrication précise de la matière composite selon l'invention, l'une des caractéristiques de celle--ci prévoit que l'on applique l'alliage métallique avec une épaisseur constante sur la surface des fibres à haute résistance, et que l'on assemble ensuite les fibres ainsi enrobées, à une tempé-20 rature et/ou une p'ression élevées. On réalise l'enrobage par des procédés connus tels que la métallisation par pulvérisation ou la galvanisation. Selon line autre caractéristique concernant là fabrication de la manière composite selon l'invention, on réalise, à la tempé-25 rature ambiante, un empilage d'une couche de fibres à haute résistance disposées parallèlement, suivie d'une couche d'alliage métallique qui est elle-même suivie d'une autre couche de fibres et ainsi de suite; on conforme ensuite l'ensemble ainsi obtenu suivant les dimensions désirées à une température et/ou une pression éle-30 vées. Le principal avantage de ces procédés réside dans le fait que l'on peut obtenir des pièces de toutes les formes désirées. Bien que l'on chauffe la matière composite lors de sa conformation, il ne se produit pas de contraintes internes lors du refroidisse-35 ment, étant donné que les composantes ont un comportement analogue en raison de la très faible différence entre les coefficients de dilatation thermique. Les matières composites ainsi obtenues, qui peuvent se présenter sous forme de pièces de formes différentes, peuvent être 40 utilisées partout où une faible densité, une forte résistance aux 69 45655 4 2064172 températures élevées, une grande exactitude des dimensions, une grande rigidité spécifique, une haute résistance mécanique et une bonne résistance aux flexions alternatives sont nécessaires. De telles matières composites conviennent donc également pour les 5 ailettes de turbines qui sont exposées à des chocs the'rmiques particulièrement importants. Plusieurs formes de réalisation de 1*objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés dans lesquels : 10 - la figure la est une coupe perpendiculaire à l'axe des fibres, illustrant schématiquement un premier mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication de la matière composite selon l'invention j - la figure 1b montre un deuxième mode de fabrication de la 15 matière selon l'invention j - la figure 2 est une coupe perpendiculaire aux axes des fibres d'une matière composite selon l'invention. Comme le montre la figure la, les fibres de carbone 1, représentées par les cercles hachurés, enrobées d'un alliage dé 20 fer et de nickel 2 sont juxtaposées et superposées de façon serrée face au poinçon 3» Le poinçon 4 et les dispositifs de chauffage (bobine chauffante 5) produisent la pression et la chaleur nécessaire sur l'assemblage des fibres enrobées devant être déformées. Lors de la déformation, les enveloppes formées par l'alliage de' 25 fer et de nickel des fibres de carbone fondent et foment un bloc, de sorte qu'on obtient une très bonne adhérence entre les composantes de la matière. La figure 1b représente une couche 2a d'un alliage de fer et de nickel disposée devant le poinçon 3a; une couche de plusieurs 30 fibres de carbone la, disposées parallèlement, est placée sur la couche 2a et est suivie à son tour d'une autre couche d'alliage 2a. L'empilage se termine toujours par une couche d'alliage fer-nickel -2a sur laquelle le poinçon 4a exerce la pression. La bobine 5 assure le chauffage de l'empilage. 35 Lorsqu'une pression est exercée sur les diverses couches empilées, par l'intermédiaire des poinçons 3 et 4, l'alliage fer--nickel s'écoule dans les interstices entre les fibres de carbone, de sorte qu'on obtient, là encore, une très forte adhérence entre le métal et les fibres. 40 Le procédé illustré à la figure la ainsi que eelui de la figure 1b permettent tous les deux la fabrication d'une matière composite comme illustrée à la figure 2. Les fibres de carbone 1 sont noyées dans la matrice formée par l'alliage métallique 2. 69 45655 5 2064172 REVENDICATIONS 1°/ Matière compositë à haute résistance formée par un métal et des fibres, dans laquelle des fibres à haute résistance sont noyées dans une matrice métallique, caractérisée en ce que 5 les coefficients de dilatation thermique des deux composantes de la matière composite, c'est-à-dire des fibres à haute résistance et d'une matrice formée par un alliage métallique, sont approximativement identiques et très faibles dans la gamme des températures auxquelles est exposée la matière lors de sa fabrication et 10 de son utilisation. 2°/ Matière composite à haute résistance selon la revendication' 1 , caractérisée en ce que les fibres à haute résistance sont formées par du carbone, du bore ou des composés de bore. 3°/ Matière composite à haute résistance selon les re-15 vendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'alliage métallique formant la matrice est à base d'un alliage de fer et de nickel dans lequel la proportion de nickel est comprise entre 30% et 40$. 4°/ Procédé pour la fabrication d'une matière composite à forte résistance selon les revendications 1, 2 et 3, caractéri-20 sé en ce que l'on applique un alliage métalliqué d'une épaisseur constante sur la surface des fibres à haute résistance, et en ce que l'on réunit ensuite en un ensemble les fibres ainsi enrobées sous une température et/ou une pression élevées. 5°/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce 25 que l'on forme l'enveloppe métallique enrobant les fibres de carbone par pulvérisation ou par galvanisation. 6°/ Procédé de fabrication d'une matière composite à haute résistance selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'on réalise, à la température ambiante, un empilage 30 d'une couche de fibres à haute résistance, disposées parallèlement, suivie d'une couche d'alliage métallique qui est elle-même suivie d'une autre couche de fibres et ainsi de suite, et on réunit ensuite l'empilage ainsi obtenu, à une température et/ou une pression élevées, en une pièce ayant les dimensions désirées.