Brevet FR2083668A1 — publié le 19711217

i 2083668 La présente invention concerne les alliages à base de cuivre et les chambres de poussée de fusée. Plus précisément, elle concerne un alliage cuivre-argent et des chambres de poussée réalisées à partir d'un tel alliage, et une conductibilité thermique élevées. Par exemple, on a utilisé un alliage à base de cuivre contenant ion petit pourcentage d'argent comme électrode pour soudure électrique. On a ajouté une très petite quantité de silicium en vue de désoxyder l'alliage, 10 comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 1 771 977. On a aussi réalisé des électrodes de soudage en alliage cuivre-argent contenant une petite quantité de lithium, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2 202 150. On sait aussi introduire de l'argent dans un métal à base de cuivre en vue 15 d'accroître la dureté de l'alliage obtenu. Par exemple, on considère qu'il est souhaitable d'utiliser un alliage à base de cuivre contenant 0,1 à 5 % de zirconium et 0,05 à 10 % d'argent pour des pièces de commutateur et elles donnent des résultats favorables lorsqu'on les compare à' des pièces en cuivre seul, sans éléments 20 d'alliage, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2 026 209. Une chambre de poussée comprend les zones de combustion, d'étranglement et de détente d'une fusée. On injecte des combustibles liquides dans la zone de combustion où ils s'enf laEiiuent et brûlent 25 en donnant des produits gazeux de réaction qui passent dans l'étranglement de la chambre et se détendent dans la zone de détente en fournissant la poussée de la fusée. Les produits gazeux de réaction de la chambre sont chauffés à une température dépassant 2760°C et ils fournissent une grande quantité de chaleur aux pa~ 30 rois de la chambre de poussée. Dans un exemple de configuration, les parois externes de la chambre de poussée sont constituées par des tubes ou des canaux usinés dans lesquels circule l'un des combustibles liquides, avec une vitesse relativement élevée, avant l'injection dans la zone de combustion, de manière à refroidir 35 les parois et à empêcher la surchauffe da la chambre. On a envisagé l'utilisation de cuivre sens5 oxysfëne 2;. is con-ductivité élevée pour réaliser une chambre de poussés ô* fasie. Le: cuivre pur possède une excellente conduetibiiifcé ûheiïsi.que efc une excellente ductilité sur mie grande piaçe cta usu^ératures. 5 On connaît des alliages de cuivre possédant une conductivité 71 10996 2 2083669- Cependant, le cuivre pur a une résistance très faible aux températures élevées et n'a pas des caractéristiques permettant sa coulée sous forme compliquée. De plus, il faut solidifier le cuivre sans pla^e de solidification. Cela signifie que la soli-5 dification s'effectue instantanément à environ 1082°C. Cette caractéristique, qui est commune à tous les métaux purs, nécessite une réalisation extrêmement précise du moule car le métal liquide ne peut pas couler dans les espaces internes dendriti-ques comme xl le fait dans un alliage. Les éléments d'alliage 10 couramment utilisés avec le cuivre sont le zinc, l'étain, l'aluminium, le béryllium, le cadmium, le manganèse, le nickel et le chrome, et ils réduisent dans une grande mesure la conductibilité thermique de l'alliage. Par exemple, un alliage en cuivre au béryllium destiné à être coulé et contenant 2,5 % de cobalt, 15 0,5 % de béryllium , et le reste de cuivre,a une conductibilité thermique qui n'est égale qu'à 38 % de celle du cuivre pur. Cet alliage de cuivre au béryllium a. une bonne résistance aux températures élevées, mais une ductilité relativement faible aux hautes températiires, et de mauvaises caractéristiques de coulabi-20 lité pour la réalisation de moulages à paroi fine. L'invention concerne une chambre de poussée de fusée constituée d'un alliage cuivre-argent contenant 2 à 6 % d'argent et 94 à 98 % de cuivre. Plus précisément, elle concerne un alliage permettant de cou-25 1er une grande chambre de poussée à paroi fine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention rassortiront mieux de 3a description détaillée qui va suivre. On utilise selon I'invention un alliage cuivre-argent contenant en poids 2 à 6 % d'argent st 94 à 98 % de cuivre. Une compo-30 sition préférée comprend 2#5 à 3,5 % d'argent. La plage qu'on préfère tout particulièrement est 2,75 à 3,25 %. On peut utiliser le cas échéant jusqu'à 0,-10 % d'autres éléments d'alliage, par exemple des agents d'affinement de grain. Cet alliage est une matière idéale pour couler de grandes chambres de poussée à paroi 35 fine. L'alliaae possède une fluidité excellente et n"5cou!^ fa-cileiaent dame les étroits passages formés par les :-t le-, fines perois n.'i-n moule il r>ossèce aussi une plaov; de solidification suffisaEœent (3 peu égaie à 83°C; h,-, s 1.3 tant le. oou"5'- internes .'--'îvii:ij q:;.es BAD ORIGINAL 71 10996 3 2083660 de l'alliage au cours de la solification, une conductibilité thermique très élevée, une ductilité élevée et une résistance modérément élevée aux hautes températures (par exemple jusqu'à 650°C). Par exemple, un alliage de cuivre à 3,5 % d'argent possède une 5 excellente conductibilité thermique aux températures élevées (94,5 % de celle iu cuivre pur a 53ô^C)fune limite élastique plus de deux fois supérieure à celle du cuivre pur à 538°C, une excellente ductilité aux températures jusqu'à 760°C et d'excellentes caractéristiques de fonderie. L'alliage ne forme pas un précipité 10 formé d'une solution solide susceptible d'être trempé. Un précipité susceptible d'être trempé iureit en vieillissant et réduit la Guctilité aux températures très proches des températures de travail (par exemple jusqu'à 650°C) de la chambre de poussée. Les exemples non limitatifs décrits ci-dessous illustrent 15 l'invention. EXEMPLE 1 On réalise 72 barres rondes coulées d'essai, comportant un filetage, en utilisant 6 coulées de métal. On verse chaque coulée dans un moule ayant des cavités pour 12 barres. On prépare les 20 moules par coulée en cire perdue de précision ( coquille monolithique et cire perdue). On prépare des modèles suceptibles d'être transformés par la chaleur en injectant de la cire dans des moules métalliques ayant la forme exacte des barres d'essai. On plonge les ensembles en cire dans leur totalité dans une pâte céramique 25 de manière à former les moules .Après durcissement, on forci la cire pour laisser les coquilles monolithiques contenant les cavités de configuration voulue pour les barres d'essai. On réalise chaque coulée à partir de lingots fondussous vide. La composition nominale des lingots comprend 3,5 % d'argent, le reste étant du cuivre. 30 La teneur en oxygène des lingots est inférieure à 10 ppm. On réalise les barres d'essai en opérant la fusion et en coulant sous vide. La pression maintenue au cours de la fusion est inférieure à 10 ^ bar. Lors de la coulée, la pression est environ égale à 5.10 ^ bar. Les températures de la coquille et du liquide versé 35 sont respectivement 927 et 1149°C. On examine par radiographie les barres après refroidissement et retrait du moule,et on ne constate aucun défaut dans aucune d'elles. On soumet vingt-quatre barres à des essais telles que couleea. On fait subir un traitement thermique en solution pendant 6 heures à 746°C dans de 71 10996 2083668 l'argon et refroidissement à l'air à vingt-quatre autres barres. Le traitement thermique, qui est essentiellement une homogénéisation,- est destiné à libérer toutes les contraintes résiduelles et à créer une répartition uniforme de l'élément d'alliage 5 (argent) dans la structure de grain minuscule. On fait subir à vingt-quatre autres barres un traitement thermique en solution à 746°C, refroidissement à l'air puis vieillissement pendant 10 heures à 650°C. Ce traitement thermique est destiné à donner à la chambre coulée la résistance résiduelle approximative qu'elle 10 a après 10 heures de service à la température de travail de 650°C. Les températures d'essai sont la température ambiante, 399, 482, 566, 650 et 732°C. Le Tableau donne les résultats de ces essais. Les chiffres du Tableau sont les moyennes des valeurs des quatre barres choisies. 15 On mesure la conductibilité thermique de l'alliage en utilisant la méthode de diffusion thermique. On constate que la conductibilité augmente de 75 à 95 % de celle du cuivre sans oxygène à haute conductibilité entre la température ambiante et 650°C. On examine au microscope deux barres de chaque coulée. On constate que la 20 dimension des grains est très uniforme, ce qui indique que les barres se sont solidifiées à des vitesses analogues. La structure des grains montre que le cuivre et l'argent forment une solution solide presque totale. On n'observe pas de variation notable de la microstructure à la suite des traitements d'homogénéisation 25 et de vieillissement. 71 10996 5 2083668 TABLEAU Traitement thermique Température ambiante 399° 482° 566° 650° 732° TEL QUE COULE Résistance à la rupture (kg/cm2) 2420 1880 1470 1005 703 0,42 Limite élastique (kg/cm2) 1000 800 795 750 535 0,31 Allongement (%) 30 ,5 22,5 20,5 16,5 17,2 15,7 Diminution ae surface (%) 38,7 25,4 29,4 26,6 18,0 16,4 TRAITEMENT THERMIQUE A 746°C Résistance à la rupture (kg/cm2) 2400 1940 1510 935 620 450 Limite élastique (kg/cm2) 745 550 605 575 420 340 Allongement (%) 35,5 23,5 20,0 24,9 19,8 26,1 Diminution de surface (%) 35,5 25,3 23,7 24,1 26,2 30,4 TRAITEMENT THERMIQUE A 746°C, ET VIEILLISSEMENT A 650°C Résistance à la rupture (kg/cm2) 2450 1900 1430 880 640 470 Limite élastique (kg/cm2) 830 610 640 570 4 35 345 Allongement (%} 34,1 23,1 19,5 17,S i 7 .. Lf 19,4 Diminution de surface (%) 37,0 2 S - .2 20,0 25, J 2 A , : 19,:;. 71 10996 6 2093668 EXEMPLE 2 On réalise 12 chambres de poussée de fusée en fondant 12 coulées de métal. Chaque coulée provient de lingots fondus sous vide de composition chimique contenant 3,25 % d'argent et 96,75 % 5 de cuivre. On fond les divers lots dans une chambre sous vide. La température et la pression maximales au cours de la fusion sont 1177°C et 2.10 bar respectivement. On prépare le moule par coulée en cire perdue (coquille monolithique et cire perdue). La première phase de la coulée concerne la préparation de modèles 10 an cire susceptible d'être retiree par la chaleur. Les dimensions détaillées des chambres sont : longueur = 101,6 mm, largeur - 50,8 mm, hauteur = 177,8 mm. L'épaisseur de la paroi latérale chaude de l'étranglement est de 0,762 mm. Les dimensions moyennes des canaux de coulée sont : largeur=1,016 mm, profon-15 deur =1,524 mm. On prépare douze répliques en cire des chambres en injectant de la cire dans des moules métalliques ayant la forme exacte des chambres de poussée. On plonge la totalité de la cire dans une pâte céramique de manière à former les moules. Après durcissement on fond la cire qui laisse les coquilles mono-20 lithiques contenant les cavités ayant les configurations voulues pour les chambres. La température de coulée est de 1149°C. On réalise l'une des chambresde poussée en lui donnant la configuration d'une chambre d'essai par régénération après retrait du moule et fermeture dss canaux de coulée par 1,016 mm de nickel. 25 On soumet la chambre â S16 allumages d'une seconde, avec un mélange -dbxyTèrv3" «t:-d'hydrogène liquides comme combustible. On fait circuler l'hydrogène dans les canaux de coulée avant de l'injecter dans la zone de combustion en vue de refroidir les parois de la chambre, La chambre fonctionne sans défaillance 30 et présente une résistance à la fatigue thermique et une fiabilité excellentes. Il est bien erst«?-*>du que 3 ' invention n'a été décrite et représente ?'! 'S t* tr* d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute va]technique dans ses éléments constitutifs 35 sans avrtsnt sortir d'i cadre de ladite invention, qui est défini c:ans revendj.c-àt i on s annexées» BAD ORIGINAL 71 10996 7 2083668 REVENDICATIONS 1. Chambre de poussée de fusée, caractérisée en ce qu'elle est constituée par un alliage comprenant en poids 2 à 6 % d'argent et 94 à 98 % de cuivre. 5 2. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliage contient 2,5 à 3,5 % d'argent. 3. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliaae contient 2,75 à 3,25 % d'argent. 4. Procédé de réalisation d'une chambre de poussée de fusée, 10 caractérisé en ce qu'on réalise un moule ayant la géométrie de ladite chambre et on coule dans le moule un alliage comprenant en poids 2 à 6 % d'argent et 94 à 98 % de cuivre. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'alliage contient 2,5 à 3,5 % d'argent. 15 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alliage contient 2,75 à 3,25 % d'argent.