Brevet FR2132409A1 — publié le 19721117

La présente invention concerne des chambres de poussée de moteur de fusée en alliages à base de cuivre. Plus précisément, elle concerne de telles chabres réalisées par forgeage d'alliages cuivre-argent-zirconium. On connut des alliages à base de cuivre possédant une conductivité et une conductibilité thermiques élevées. Par exem ple-, on a utilisé comme électrode de soudage (brevet des Etats Unis itAmérique N 1 771 971) un alliage à base de cuivre contenant un faible pourcentage d'argent. On connaît aussi des alliages cuivre-argent-zirconium.Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 2 026 209 décrit un alliage à base de cuivre contenant 0,1 à 5 % de zirconium et 0,05 à 10 % d'argent qu'il est souhaitable d'utiliser pour des pièces de commutateur , donnant alors des résultats favorables par rapport aux pièces réalisées en cuivre sans éléments d'alliages Ce brevet considère que l'ar- gent ajouté au cuivre accrott la dureté de la pièce réalisée. Une chambre de poussée comprend les zones de combustion, et convergente/ divergente d'un moteur de fusée. tes propergols sont enflammés dans la chambre ou zone de combustion oU ils brt- lent en émettant des produits gazeux qui passent par la gorge de la chambre de poussée et se détendent dans un diffuseur, en créant la poussée nécessaire à la fusée. Les produits gazeux de la réaction dans la chambre de poussée sont chauffés à des températures élevées, dépassant par exemple 2750 C, et ils transmettent beaucoup de chaleur aux parois de la chambre de poussée.Un exemple de configuration de chambre pour propergols liquides comprend des parois externes constituées par des tubes refroidisseurs ou comprenant des passages de refroidissement, par exemple des fentes ou des canaux usinés qui sont fermés à l'extérieur, par exemple par électroformage, de manière qutun fluide de refroidissement puisse circuler. Dans le cas des chambres de poussée refroidies par régénération, l'un des propergols au moins circule à vitesse relativement élevée dans les passages de refroidissement disposés autour de la chambre de poussée avant autre injecté dans la zone de combustion, de manier qutil refroidisse les parois de la chambre et empêche la surchauffe de celle-ci. On a considéré llutilisation de cuivre dépourvu d'oxygène et de conductibilité élevée pour réaliser des chambres de poussée (brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 439 502). te cuivre pur possède une excellente conductibilité thermique et une excellente ductilité sur une large plage de températures.Cependant, le cuivre pur a une très faible résistance mécanique aux températures élevées. On utilise courammenfdes éléments d'alliages tels que le zinc, ltétain, l'aluminium, le béryllium, le cadmium, le manganèse, le nickel et le chrome qui réduisent fortement la conductibilité thermique de l'alliage à base de cuivre. Par exemple, un alliage cuivrebéryllium contenant 2,5 - de cobalt, 0,5 ffi de béryllium et le reste de cuivre a une conductibilité thermique qui n'est égale qu'à 38 % de celle du cuivre pur à 5400 C. Cet alliage béryllium-cuivre a une bonne résistance mécanique à température élevée, mais une ductilité relativement faible à température élevée. L'invention concerne un chambre de poussée de moteur de a fusée constituée d'un alliage/base de cuivre contenant en poids 0,05 à 0,5 % environ de zirconium et 2 à 6 % environ d'argent. ta chambre est réalisée par forgeage, en général à une température de tordre de 760 à 8200C, à partir de l'alliage, et elle est de préférence durcie par précipitation de manière que la résistance à la traction et le module d'élasticité de 11 alliage soient éleves. te durcissement par précipitation de la chambre forgée est un traitement thermique en solution, en général à une température de tordre de 870 à 9300C pendant 1,5 à 3 heures, suivi d'une trempe rapide, en général dans de liteau à température ambiante, puis d'un traitement de précipitation ou de vieillissement, en général aux environs de 450 à 5100C pendant environ 2 à 6 heures. Si la chambre forgée doit être refroidie par régénération. on usine des fentes ou des canaux longitudinaux et disposés axialement pour le passage d'un fluide de refroidissement dans la paroi externe de la chambre. Ces canaux ou ces fentes sont fermés extérieurement, par exemple par électroformage, de manière qu'ils constituent des passages de refroidissement des parois externes de la chambre. L'alliage cuivre-argent-zirconium à partir duquel sont réalisées les chambres de l'irsention par forgeage a une conductibilité thermique élevée qui assure un refroidissement efficace, une résistance mécanique élevée aux températures élevées, si bien que la chambre a une longue durée, une ductilité élevé ainsi qu'une bonne résistance à la fatigue thermique, une stabilité métallurgique élevée,de sorte que la chambre est fiable. On va maintenant décrire plus en détail un moteur de fusée selon ltinvention. Un tel moteur comprend une chambre de combustion, un diffuseur et une gorge de raccordement, la chambre de poussée étant formée en alliage à base de cuivre contenant, en poids, 0,05 à 0,5 % de zirconium et de 2 à 6 % d'argent. La teneur préférée en zirconium dans l'alliage est de 0,25 à 0,45 ffi en poids. La teneur préférée en argent est de 2,5 à 3,5 % en poids, notamment de 2,75 à 3,25 % en poids.La composition qu'on préfère contient dans du cuivre 0,75 % de zirconium et 3,0 % argent. La teneur en zirconium de l'alliage correspond à du zirconium libre, ctest-à-dire du zirconium sous forme élémentaire et non pas combiné sous forme de bioxyde Zr02. La chambre de poussée de l'invention est forgée à partir d'un lingot d'alliage cuivre-argent-zirconium. te lingot doit être préparé sous vide ou sous gaz inerte pour que la matière fondue ne contienne pas de quantités excessives d'oxygène qui pourrait réagir avec le zirconium en formant du bioxyde Zr02. Des inclusions de ce dernier corps dans la chambre réduisenrnotablement le coefficient de transfert de chaleur de la paroi et provoquent la formation de points chauds lors du foncticinement de la chambre, si bien que la paroi de celle-ci peut être détériorée. En conséquence, on préfère en général que la teneur en oxygène du lingot soit inférieure à 75 ppm. On peut utiliser des techniques classiques de fusion pour former le lingot, notamment la fusion par chauffage par induction sous vide, puis coulée statique, le chauffage par induction sous vide, puis nouvelle fusion sous vide à électrode consommable et la fusion par induction suivie par une coulée directe semi-continue en atmosphère inerte. La fusion sous vide ou en atmosphère inerte avec chauffage par induction peut être réalisée dans un moule ou creuset classique de graphite chauffé par des enroulements. Plutôt que d'ajouter l'argent et le zirconium à ltétat pur dans le cuivre fondu, on préfère ajouter l'argent pur et un alliage mère cuivre-argent dans le cuivre fondu. Cet alliage mère peut contenir par exemple 25 ss environ en poids de zirconium et 75 %0 en poids de cuivre. Il a ur point de fusion compris entre 980 et 1O8O0C,c'est-à-dire qui est inférieur à celui du cuivre pur.Au contraire,le zirconium pur fond autour de 17600C, c'est-à-dire audessus de la température de fusion du cuivre et, en conséquence, si on ajoute du zirconium au cuivre fondu, il faut une longue période pour que le zirconium se dissolve. te cuivre fondu, qui doit entre dépourvu d'oxyde et qui doit avoir une conductibilité élevée, est en général maintenu à une température de l'ordre de 1150 à 12100C lors de l'addition de l'argent et de l'alliage mère. L'alliage fondu est coulé en lingotière, par exemple dans un moule classique de graphite ou analogue et refroidi, par exemple, dans: de l1eauàtempérature ambiante. La première phase de préparation de la chambre de poussée à partir du lingot d'alliagiest le forgeage grossier du lingot, qui a une forme rectangulaire par exemple, sous forme d'une billette cylindrique. On réalise alors un trou par poinçonnage classique auWcentre de la billette cylindrique. te trou est centré sur l'axe longitudinal de la billette et il facilite la mise en place d'un mandrin utilisé pour l'opération de forgeage. Un mandrin est alors placé dans le trou poinçonné au centre de la oeillette, et celle-ci est forge e par une technique classique de manière que le diamètre du trou soit accru. t' opération de forgeage est réalisée avec un organe en forme de selle qui maintient la billette cylindrique au cours de l'opération.La billette ainsi réalisée est alors forgée par extrusion de manière que sa longueur soit accrue. te cylindre creux obtenu est alors étiré par extrusion, de manière que le diffuseur de la chambre soit préformé à une configuration classique quelconque. La chambre est alors repoussée à l'aide de galets de manière à former le diffuseur reliant la chambre de combustion au divergent de la chambre. Bien que les opérations décrites de mise du lingot sous forme d'une chambre puissent etre considérées comme un forgeage par repoussage, étant donné les opérations d'étirage par extrusion et de repoussage à l'aide de galets, on considère dans le présent mémoire qu'il s'agit simplement d'un forgeage. Chacune des opérations du forgeage est réalisée en général à une température de l'ordre de 760 à 8200C. Après le forgeage de la chambre à partir du lingot, celleci est de préférence durcie par précipitation. Cette opération comprend un traitement en solution, suivi d'une trempe rapide et dtun vieillissement ou d2une précipitation. Au cours du traitement de durcissement, la dureté, la résistance à la traction et en particulier le module d'élasticité de l'alliage croissent notablement. le traitement thermique en solution est réalisé en général à une température de l'ordre de 870 à 9300C pendant environ 1,5 à 3 heures, et on préfère que le traitement ait lieu à environ 9300C pendant 2 heures environ.La trempe est réalisée d'une manière classique, de préférence dans liteau à température ambiante. te vieillissement est alors - -realisé à environ 450 à 5100C pendant 2 à 6 heures et de préférence Anviron 4800C pendant 4 heures environ. Si la chambre n1 est pas durcie de cette manière, elle doit entre au moins soumise à un traitement classique de recuit assurant la relaxation des contraintes macroscopiques créées dans la chambre au cours du forgeage. te recuit peut Qtre habituellement réalisé à une température de 425 à 5400C pendant 2 à 4 heures environ. Si on veut refroidir par régénération la chambre de poussée, on usine des canaux ou des fentes longitudinales dans les parois externes de la chambre. te nombre de fentes utilisées et la dimension ainsi que l'emplacement exact sont déterminés par le nux thermique passant dans la paroi de la chambre, etc., comme cela est connu des spécialistes. tes fentes usinées sont alors fermées et constituent des passages destinés au fluide de refroidissement. La fermeture des fentes peut être réalisée par électroformage de nickel ou de cuivre, par exemple, sur les fentes et les portées formées par deux fentes voisines. Stopération d'électroformage est réalisée de manière classique et ne fait pas partie de l'inven- tion. tes chambres de l'invention peuvent avoir toute forme classique, par exemple une forme en cloche, ainsi que toute dimension convenable. On peut les utiliser avec tous les propergols classiques, par exemple avec de lthydrogène et de l'oxygène. les chambres en alliage selon l'invention ont des propriétés thermiques et métallurgiques excellentes. Elles ont une conductibilité thermique élevée qui permet leur refroidissement efficaceS une résistance mécanique élevée à des températures pouvant atteindre 5400 C, Si bien que la chambre a une longue durée et une ductilité élevée qui assure trnne bonne résistance à la fatigue athermique, une stabilité métallurgique élevée qui assure un-fonctionnement fiable.De plus, les chambres de l'invention ne sont pas rendues fragiles dans des atmosphères contenanfEe l:hydrogène à pression élevée comme cela est le cas, par exemple, dans le refroidissement par régénération des chambres utilisant de L'hydrogène comme propergol. La conductibilité thermique des alliages de l'invention est proche de celle du cuivre pur. Par exemple, un alliage durci par précipitation contenant 0,35 ffi de zirconium et 7,0 % d'argent a une conductibilité thermique qui est égale à 95 ffi de celle du cuivre recuit dépourvu d'oxygène et de conductibilité élevée, lorsqu'on la mesure à 5400C. De plus, les alliages utilisés selon l'invention ont une résistance mécanique nettement supérieure à celle du cuivre pur.Par exemple, la résistance à la rupture et le modul De manière analogue, les alliages à base de cuivre utilisés selon l'invention ont une résistance mécanique nettement supérieure aux alliages cuivre-zirconium ayant une ductilité et une conductivité analogues à température élevée. Par exemple, un alliage cuirre-zirconium durci par précipitation et contenant environ 0,16 % en poids de zirconium et le reste de cuivre, a une résistance à la rupture de 850 kg/cm2 et un module d'élasticité de 700 kg/cm , mesurés à 540 C. On va maintenant décrire un exemple de l'application de l1invention. On prépare un lingot alliage cuivre-argent-zirconium de 800 kg par fusion classique par chauffage par induction sous vide et coulée statique. On place du cuivre dépourvu dtoxy- gène et de conductibilité élevée dans un creuset en graphite et on le fond par induction à 1150-12000C. On dissout alors de l'ar- gent pur et du zirconium pur dans le cuivre fondu dans le creuset. Ltalliage est alors coulé par les techniques classiques de coulée statique dans une lingotière en fonte, puis refroidi à la température ambiante. Au cours de la fusion et de la coulée, la pression est inférieure à 40.10 3l La composition nominale du lingot est en poids de 0,25 fo de zirconium, 3,0 Vo dtargent et le reste de cuivre. ta teneur en oxygène du lingot est inférieure à 60 ppm. te lingot est préchauffé 2 heures à 8200 C, puis forgé à la forme d'une chambre de poussée en cloche à une température de travail de 760 à 8200 C. La chambre forgée est traitée dans une solution à 8700C pendant environ 2 heures, trempée à la température ambiante dans l'eau et vieillie à 4800C pendant environ 4 heures. la chambre de poussée est alors usinée à la forme filiale et on usine dans la paroi externe de la chambre 320 canaux également répartis, disposés longitudinalement et alignés axialement, de section rectangulaire, destinés au passage du fluide de refroidissement. On dépose par électroformage une couche de nickel sur les canaux, de manière à les fermer et à former des passages de refroidissement par régénération dans la chambre. La longueur totale de la chambre est d'environ 79 cm et sa longueur entre l'entrée de la chambre de combustion et le diffuseur est d'environ 35,5 cm-. Son diamètre à l'entrée de la chambre de combustion est d'environ 49 cm, son diamètre au niveau du diffuseur est d'environ 30 cm et le diamètre de la sortie du divergent est de 79 cm. Le rapport de compression et le rapport de détente de la chambre en forme de cloche sont dtenviron 2,7:1 et 7:1, respectivement.L'épaisseur de la paroi soumise aux gaz chauds varie entre environ 0,75 mm au niveau du diffuseur et environ 1,3 mm à l'entrée de la chambre de combustion et à la sortie du divergent. tes canaux de refroidissement ont une largeur qui varie entre environ 1,3 mm au niveau du diffuseur à environ 2 mm à 11 entrée de la chambre de combustion et à la sortie du divergent. La profondeur des canaux varia entre environ 1,5 mm au niveau du diffuseur et environ 2 mm à l'entrée de la chambre de combustion et 3,8 mm environ à la sortie du divergent. tes portees formées par des canaux voisins ont une largeur qui varie entre 1,5 mm au niveau du diffuseur, 2,8 mm environ à l'entrée de la chambre de combustion et 4 mm environ à la sortie du divergent. te nickel déposé par électroformage a une épaisseur d'environ 13 mm. La chambre est mise à feu avec succès à l'aide d'oxygène et d'hydrogène/liquides utilisés comme propergols. l'hydrogène circule de manière classique dans les passages de refroidissement de la paroi externe de la chambre,avant d2etre injecté dans la chambre de combustion, de manière à refroidir les parois de la chambre de poussée. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qurà titre dtexemple préférentiel et quton pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Moteur de fusée ayant une chambre de poussée comprenant une chambre de combustion et un divergent raccordés par un diffuseur, caractérisé en ce que la chambre de poussée est en alliage coeitenant en poids 0,05 à 0,5 Ojo de zirconium, 2 à 6 ffi d'argent et 94 à 98 Vo de cuivre. 2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage qui constitue la chambre de poussée contient 0,25 à 0,45 Vo de zirconium et 2,5 à 3,5 % d'argent. 3. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage qui constitue la chambre de poussée contient 0,25 à 0,45 fo de zirconium et 2,75 à 5,25 ss d'argent. 4. Moteur de fusée ayant une chambre de poussée comprenant une chambre de combustion et un divergent raccordés par un diffuseur, les parois extérieures de la chambre de poussée comportant des passages de refroidissement destinés à la circulation d'au moins l'un des propergols liquides brûlés dans la chambre de combustion, avant qutil ne soit injecté dans cette chambre, de manière qutil refroidisse les parois de la chambre de poussée et empêche celleci autre surchauffée, ledit moteur étant caractérisé en ce que la chambre de poussée est en alliage contenant, en poids, 0,05 à 5 % de zirconium, 2 à 6 Vo d'argent et 94 à 98 % de cuivre. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que d'alliage qui constitue la chambre de poussée contient 0,25 à 0,45 % de zirconium et 2,5 à 3,5 % d'argent. 6. Procédé de réalisation d'une chambre de poussée de moteur de fusée comprenant une chambre de combustion et un divergent reliéspar un diffuseur, caractérisé en ce qu'on prépare un lingot d'alliage cuivre-argent-zirconium contenant en poids environ 0,05 à 0,5 Vo de zirconium, 2 à 6 % d'argent et 94 à 98 Vo de cuivre, et gorge le lingot de manière à lui donner la forme de la chambre de poussée. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la chambre forgée est durcie par précipitation à l'aide d'un traitement thermique en solution à une température d'environ 870 à 9300 C, trempe à température ambiante et vieillissement à une température comprise entre environ 450 et 5100C. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le traitement thermique en solution est réalisé pendant environ 1,5 à 3 heures et le vieillissement pendant environ 2 à 6 heures. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les passages de refroidissement sont réalisés dans les parois externes de la chambre après le forgeage de celle-ci. 10. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ltelliage qui constitue la chambre de poussée contient 0,25 à 0,45 so de zirconium et 2,5 à 3,5 Vo d'argent.