Brevet FR2133852A1 — publié le 19721201

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de fabrication par moulage centrifuge d'un corps composite de révolution. On sait fabriquer par le procédé de moulage centrifuge des 5 tubes, des coussinets ou des éléments analogues en métal ou en matière plastique» On sait également fabriquer de cette façon des cylindres en matière plastique renforcée par des fibres qui sont ensuite utilisés principalement comme éléments statiques, par exemple pour servir de mâts. Pour fabriquer des chaudières 10 ou des tubes, tambours ou cylindres à rotation rapide, les procédés connus de moulage centrifuge ne peuvent donner de bons résultats, car un corps composite ainsi fabriqué ne présente qu'une cohésion insuffisante et peut subir une déformation élevée en sens radial» La cohésion entre l'armature en fibres et 15 la matrice, par exemple dans un panier centrifuge d'une centrifugeuse tournant à des vitesses périphériques élevées, est insuffisante, ce qui entraîne la séparation, l'éclatement par rupture ou l'élargissement des parties constitutives. En prenant cette constatation comme point de départ, l'in-20 vention a pour but de proposer un procédé pour la fabrication d'un corps composite de révolution comprenant une matrice en métal renforcée par une armature en fibres métalliques ou non métalliques, donnant la certitude d'obtenir une cohésion certaine entre les différentes parties du corps composite, même à des 25 vitesses périphériques élevées, ou à pressions intérieures et à des températures élevées. Malgré une forte compacité, le corps composite doit avoir une densité assez faible„ Quand ce corps composite est en mouvement, sa déformation ou son élargissement en sens radial doivent être aussi faibles que possible afin de 30 permettre son utilisation, par exemple, dans les centrifugeuses à gaz. Un autre but du procédé est d'obtenir un corps composite, qui ne comporte pas de retassures ni d'inclusions indésirables. Ces buts sont atteints par le procédé de l'invention par le fait que le métal à mouler est coulé à l'aide d'un tube de 35 coulée rotatif ou fixe placé dans l'axe d'un tambour rotatif dirigeant le métal radialement ou tangentiellement sur des fibres sans fin ou des fibres mises en couches ou en nattes et disposées sensiblement dans le sens circonférentiel contre la paroi du tambour, puis les couches extérieures renforcées par les 40 fibres du corps composite, voisines de la paroi du tambour sont 72 13593 2 2133852 i . .... ... ? chauffées et ne sont refroidies à la température ambiante qu'après refroidissement des couches métalliques intérieures, ' dont le coefficient de dilatation thermique est choisi égal ou - inférieur à celui des couches extérieures. 5 L'invention donne encore de bons résultats lorsque le matériau constituant la matrice des fibres et le matériau métallique formant les couches intérieures sont les mêmes (par exemple ï des alliages d'aluminium) et ont par conséquent le même coefficient de dilatation thermique. 10 Le même résultat est obtenu lorsque le coefficient de ! dilatation thermique de la matrice en métal placée à l'extérieur (par exemple un alliage d'aluminium) est plus grand que le coefficient de dilatation thermique du matériau purement métallique placé à l'intérieur (par exemple un alliage de nickel). 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ; ressortiront de la description qui va suivreo L'avantage de l'invention réside dans le fait qu'elle procure un corps composite largement exempt de retassures, homogène, dans lequel la cohésion entre les différents éléments constitutifs est élevée. Le 20 métal projeté par les buses du tube de coulée est dirigé d'une façon particulière de telle sorte qu'on obtient ainsi une structure granulaire, ramifiée et dense, principalement dans la direction tangentielle; cette structure est renforcée par le fait que, par suite des conditions de refroidissement prévues, c'est-25 à-dire en raison de ce que la couche extérieure renforcée par "i les fibres ne se refroidit qu'après la couche intérieure purement i métallique, on obtient à la température ambiante un état de tension interne qui fait apparaître dans la couche extérieure des contraintes de traction dirigées tangentiellement et dans 30 la couche intérieure des contraintes de compression dirigées tangentiellement. "f Selon l'invention il est également possible que les couches renforcées par des fibres situées à l'extérieur ( par * exemple un alliage de nickel ) présentent un coefficient de 35 dilatation thermique inférieur à celui des couches intérieures (par exemple un alliage d'aluminium) o Dans ce cas, lors du î refroidissement en sens radial l'alliage de nickel extérieur, * par exemple renforcé par des fibres de carbone, reste sans jj changement de sorte qu'un réchauffement pendant la rotation i 40 n'atteindrait pas le but recherché0 II est donc proposé dans ce f j 72 13593 3 2133852 cas de prolonger la rotation, sans réchauffage supplémentaire des zones extérieures, suffisamment longtemps pour que les couches intérieures (celles qui ont le coefficient de dilatation thermique supérieur) se solidifient et se consolident en premier 5 pour que se réalise à la température ambiante un état de tension approprié en sens tangentiel. Une caractéristique essentielle de l'invention consiste par ailleurs dans l'utilisation de matériaux tels que, lors du refroidissement du corps composite, il se produise, en plus, dans la direction axiale, des contraintes "10 de compression dans les couches extérieures renforcées par des fibres et des contraintes de traction dans les couches métalliques intérieures. Si par exemple les couches extérieures sont faites d'un alliage de nickel renforcé par une armature en fibres de carbone, tandis que les couches intérieures sont faites 15 d'un alliage d'aluminium sans armature, le coefficient de dilatation thermique est plus petit à l'extérieur qu'à l'intérieur ainsi qu'il a déjà été dit; lors d'un refroidissement les couches intérieures tendront à se contracter en sens axial par rapport aux couches extérieures qui, pour l'essentiel, restent 20 dans leur état. De cette façon est engendré un état de tension approprié en sens axial, qui confère au corps composite des propriétés particulièrement favorables en cas d'effort de flexion alternée, par exemple quand ce corps est utilisé comme panier de centrifugeuse ou d'une façon analogue, car, en cas 25 de flexion, les couches extérieures subissant une contrainte de traction ne se fendent pas par suite de la pré-contrainte de compression. Le procédé selon l'invention se caractérise de plus par le fait que la transition entre la couche extérieure et la couche 30 intérieure s'effectue de façon continue et par le fait qu'est réalisé un accrochage par l'action de forces et de formes appropriées. Un corps composite présentant cet état de tension propre ne subit que de faibles déformations radiales, lorsqu'il est en rotation ou lorsqu'il est soumis à une pression intérieure. De 35 plus l'invention permet de réaliser un corps composite apte à être utilisé à haute température et dans lequel les fibres sont très solidement incorporées à la matrice. Naturellement, les exigences en matière de stabilité des fibres lors de l'utilisation à haute température limitent le choix des_matériaux à des 40 groupes dont les diagrammes de phase ne tolèrent pas. du tout, ou 72 13593 4 2133852 seulement dans une mesure limitée, des réactions de combinaison, un phénomène de diffusion avec/^aatrice et une oxydation interne. Compte tenu de ces facteurs les matériaux à utiliser pour le procédé de fabrication selon l'invention sont les suivants : 5 fibres de carbone, ou fibres de tungstène dans des superalliages de nickel, ou fibres de béryllium dans des alliages d'aluminium*, On a, de plus la possibilité, en réglant de façon appropriée les vitesses de rotation du tambour et du dispositif de coulée, de rendre optimales la cohésion et la compacité des éléments 10 constitutifs pour différentes utilisations. Un autre avantage est qu'il est possible, en cours de l'opération de coulée, d'ajouter des matériaux de matrice différents de sorte qu'un corps composite peut être fabriqué avec des couches différentes, ayant par exemple des modules d'élasticité spécifiques de valeur 15 différente. C'est ainsi que, si on utilise le corps composite comme tambour centrifuge, on fera aller en augmentant de l'intérieur vers l'extérieur le module d'élasticité spécifique, c'est-à-dire le rapport entre le module d'élasticité et la densité. Les qualités de cohésion d'un tel corps composite sont 20 notablement supérieures à celles d'un corps obtenu par enroulement. Les corps composites ainsi fabriqués sont particulièrement aptes à être utilisés par exemple pour les tambours centrifuges de centrifugeuses, pour les récipients, pour les coussinets et cylindres ou encore pour les chambres de combustion et les 25 tuyères de poussée des fuséeso Pour la fabrication des tuyères de fusée on ajoute dans certains cas des matériaux de refroidissement par condensation, éventuellement du graphite. Un autre but de l'invention est d'apporter -un dispositif au moyen duquel le procédé décrit ci-dessus peut être mis en 30 oeuvre d'une façon simple„ Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que, dans un tambour dont le fond porte par exemple un arbre de commande, s'étend en sens axial un tube de coulée, rotatif ou fixe, présentant en sens longitudinal des buses à ouvertures 35 radiales ou tangentielles. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, en référence à la figure unique annexée représentant schématiquement un. dispositif selon l'invention., 40 A l'intérieur d'un tambour cylindrique 2 fermé par un 72 13593 5 2133852 fond 1, tournant autour de la verticale, s'étend, en direction axiale, un tube de coulée 3- Ce dernier se compose d'un pot cylindrique dans lequel sont ménagées des "buses 4 s1 étendant longitudinalement et diamétralement opposées. Dans le pot 5 débouche pair en haut une pièce tubulaire 5 en. amont de laquelle est prévue une chambre de mélange 6 à laquelle sont amenés les métaux ou éléments constitutifs d'alliage voulus (flèches A,B) afin de former l'alliage désiré. Dans l'axe médian du tube de coulée 3? peut être disposé un moyen de chauffage tel qu'un 10 serpentin réchauffeur 7- Les buses 4 ou fentes peuvent s'ouvrir radialement ou tangentiellement dans la paroi latérale extérieure du pot. Au milieu du fond 1 du tambour 2 est monté un arbre 8 qui sert à supporter et à entraîner le tambour. Un palier est indiqué schématiquement en 9. Dans la paroi du tam-15 bour est encastré un dispositif de chauffage 10. Ce tambour est entouré par une couronne 11. L'ensemble du dispositif est enfermé dans une enveloppe 12 représentée en trait interrompu de sorte que la coulée peut à volonté s'effectuer sous vide ou en atmosphère contrôlée. 20 D'après cette description du. dispositif, il est facile d'expliquer le procédé» Des fibres 13s par exemple des fibres de béryllium faisant un matelas sont disposées approximativement substantiellement en sens circonférentiel en plusieurs rangées dans une sorte de cage faite du matériau composant la matrice 14, 25 et disposée le long de la paroi du tambour. On peut disposer de la même façon, par exemple, des nattes de fibres. Le matériau de la matrice 14, par exemple un alliage d'aluminium, est dirigé sous forme liquide à la chambre de mélange dans laquelle il est homogénéisé et éventuellement mélan-30 gé à un agent utile à l'élaboration ou à l'emploi de sorte que c'est un alliage sans inclusions, à température constante, qui arrive dans le tube de coulée rotatif» Là, le matériau de la matrice est projeté à travers les buses contre la paroi intérieure du tambour tournant, où il entoure en même temps les 35 fibres et, par suite des forces centrifuges élevées qui sont développées, donne naissance à un corps composite dense» Le moyen de chauffage qui se trouve dans la paroi du tambour maintient le corps composite à une température élevée. Au cours de la coulée par centrifugation, quand une couche dense a été pro-40 jetée sur les fibres, on peut couler un autre métal 15) par 72 13593 6 2133852 exemple ayant un module d'élasticité spécifique légèrement supérieur mais ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement identique, un alliage d'aluminium-titane, qui est susceptible d'avoir une bonne liaison avec la matrice de métal 5 précédemment coulée» Ces conditions doivent être réglées selon l'utilisation souhaitée du corps composite» Par exemple, lorsque le corps est utilisé comme volant, la couche extérieure doit avoir un poids spécifique supérieur à celui de la couche intérieure» Lorsque la coulée du métal par les buses est terminée, 10 la rotation du tambour est poursuivie jusqu'à ce que les couches intérieures se soient refroidies jusqu'à la température ambiante « Cette persistance de la rotation peut provoquer une consolidation des couches intérieures. Ce n'est qu'ensuite que, selon l'invention* les couches extérieures, qui sont pour l'essentiel 15 encore à l'état plastique, sont refroidies lentement jusqu'à la température ambiante. De cette façon, il se produit un frettage et on obtient en plus une imbrication intime de la couche intérieure et de la couche extérieure» On peut facilement modifier ou rendre optimales les conditions de tension ainsi réalisées, 20 par exemple en faisant varier la température de la paroi du tambour» L'opération de fusion et de coulée centrifuge sous vide ou en atmosphère contrôlée procure les avantages que l'on connaît; on peut ainsi fabriquer des matériaux de très grande pureté, possédant des caractéristiques chimiques et physiques 25 déterminées, sans avoir à craindre la présence dans ces matériaux composites de retassures, d'oxydation ou des défauts analogues» L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits; au contraire, bien d'autres possibilités en matière de choix des 30 matériaux et de la construction sont possibles dans le cadre de l'invention» Pour fabriquer des corps composites de grande longueur, il peut être par exemple avantageux de monter le tube de coulée avec une possibilité de déplacement en sens axial dans le tambour de sorte que, pendant la coulée, il se déplace d'une 35 extrémité à l'autre du tambour» En choisissant de façon appropriée les matériaux de coulée et en déterminant de façon appropriée l'avancement du tube de coulée ainsi que la vitesse de rotation du tambour et les conditions de refroidissement, on peut fabriquer un corps composite qui présente les propriétés 40 optimales voulues pour son utilisation» Si on se sert d'un 72 13593 7 2133852 tambour de grande longueur pour fabriquer des corps composites très longs, il est naturellement nécessaire d'utiliser un autre palier de soutien et de guidage du. tambour0 72 13593 8 2133852 RETOTOICATIONS 1• Corps creux composite de révolution, composé de deux couches également de révolution se recouvrant l'une 11autre et coulées l'une dans l'autre sans interstice, caractérisé en ce .5 qu'il comprend la combinaison suivante : a) la couche interne est composée de métal, tel que le nickel, l'aluminium, le titane, le cobalt et leurs alliages , b) la couche externe est composée d'un matériau fibreux, tel que tungstène, béryllium, carbone, acier, bore et carbure 10 de silicium, dont les fibres sont disposées selon l'un des modes enroulé, en couches et en nattes, les interstices entre toutes les fibres étant remplis par coulée de l'un des métaux désignés en a) , c) le coefficient de dilatation thermique de la couche externe 15 est égal ou inférieur à celui de la couche interne. 2. Corps composite de révolution selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche externe du corps composite au repos est en état de compression axiale et de tension tangentielle, tandis que la couche interne est en état de tension axiale et de 20 compression tangentielle. 3. Procédé de fabrication par moulage centrifuge dans un tambour tournant d'un corps creux composite de révolution composé d'une couche externe d'un matériau fibreux, dont les interstices entre les fibres sont remplis par coulée d'un métal, et d'une 25 couche interne de métal, caractérisé en ce que le métal à couler est amené selon l'un des deux sens radial, tangentiel sur le matériau fibreux tournant avec le cylindre au moyen d'un tube de coulée disposé dans l'axe du tambour. Procédé selon la revendication 3» caractérisé en ce 30 que les fibres sont posées et fixées sur une cage composée d'un matériau constituant une matrice fondue lors de la coulée du métal à couler.