Brevet FR2157730A1 — publié le 19730608

On a réalisé jusqu'a présent des pièces et éléments composites compliqués, par exemple les allettes de turbine de réacteur, à partir de @@uches découpées suivant @n dessin de forme et de dimensions particulières, empiles suivant un schéma et durcies par pressage à chaux De els p procédés occasionnent un grand déchet de m@t@ère et impliquent une opération d: durcissement avec réduction notable eri volume des couches empilées. Lorsque les couches sont composées de feuill@s renforcées de fibres associées par une résine, les filaments de renforcement se déplacent les uns par rapport aux autres au hasard et de façon non contrôlée. L'invention supprime ces inconvénients et permet la rée-- lisation d'articles composites particulièrement robustes et de forme très precise grace o la réalisation du corps du compo- sant ou de la pièce a partir de rubana déposés bord à bord et couche sur couche sur une feuille en forme jusqu'à l'obtention de la configuration voulue Les rubans ou bandes entièrement durcis sont déposées par association par résistance, si bien que les filaments ne peuvent pas se déplacer lors d'une association ultérieure sous pression. De préference, on utilise un rouleau pour associer les rubans par chauffage.La feuille de couverture recouvre le corps forme de rubans et elle est soudée à la feuille de base de manière à constituer une enveloppe com- piète dans laquelle on rait le vide, l'ensemble étant alors placé dans une matrice chaude sous pression destinée à assurer le durcissement final. Cette opération réduit seulement légèrement le volume du corps, de l'ordre de 2 à 5 do, et il ne peut pas se produire de déplacement des filaments. L'invention concerne aussi des composites ayant (les t-ar- ties de corps formées de plusieurs couches de rubans réfractaires, chaque couche étant composée de plusieurs rubans disposés cote a' cote. Elle concerne iiussi des ailettes de turbine de réacteur dont le corps compren' des rubans renforcés d'une matrice métallique disposés côte à cote ex couche par couche ct recouverts d1 une enveloppe métallique.Les articles composites réali-- sés ont une forme précise, une grande resistance et un faible poids spécifiqu , et il n'es pas nécessaire d'utiliser les cou ches préalablement découpées de forme complexe de la technique antérieure. Les matières composites sont légères et la réduction de volume est minimale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une perspective d'une ailette de turbine d'un réacteur dans une phase initiale de formation selon l'invention ; la figure 2 est une perspective partielle agrandie d'un ruban renforcé de fibres utilisé pour la réalisation des matières composites selon l'invention la figure 3 est une coupe transversale d'une ailette de turbiné disposée sur une matrice en forme juste avant le durcissement final par chauffage et par pression selon l'invention la figure 4 est une perspective d'une ailette de turbine après montage complet selon l'invention, mais avant durcissement final la figure 5 est une coupe transversale de l'ailette de la figure 4, et elle illustre le découpage des bavures ; et la figure 6 est une perspective d'un ailette terminée selon l'invention. La figure 1 représente une matrice ou un mandrin 2 dont la surface a la forme d'une face d'une ailette de turbine ou d'un autre article à former. Ce mandrin 2 porte une feuille métallique de base 4 dont la forme est telle qu'elle coopère avec la surface du mandrin. La matière qui constitue la feuille 4 dépend de l'usage prévu de la pièce composite. Par exemple, si l'article doit être un élément profilé destiné à des ailettes de turbine de réacteur, la feuille peut etre en alliage d'aluminium ou en titane. D'autre part, si on doit utiliser l'élément profilé comme aile de turbine soumise à une chaleur excessive, on peut réaliser la feuille de couverture en matière réfractaire, par exemple en titane, en acier inoxydable ou en tout autre métal ou alliage réfractaire. La figure 1 montre aussi un ruban 6 souple, durci, à matrice métallique renforcée de fibres, provenant d'un rouleau 8 et delosée à la stlrI.ice en forme de la feuille 4. Lors du dépôt de chaque @ bande de ruban à la surface de la feuille, un rouleau 10 d'associistion chauffé par résistance assure le collage par diffusion su la feuille. Les rubans sont déposés côte à côte et couche sur couche jusqu'à la configuration et la forme voulues. Le cas échéant, on peut aussi déposer les rubans en diago nale ou transversalement, et les couches successives de rubans peuvent avoir des fibres croisées.Le rouleau 10 associe chaque ruban à celui qui se trouve au-dessous en empêchant le déplacement des fibres et il assure le serrage de l'ensemble qui supprime l'encombrement des couches antérieures empilées et liées par une résine. Comme le ruban est déposé côte à côte de manière B former chaque couche suivant le dessin voulu, on évite les déchets de matière et on conserve des tolérances serrées. La largeur du ruban 6 peut varier suivant la torsion et la cambrure de l'élément profilé particulier ou de tout autre article formé. On peut utiliser des largeurs comprises entre 3 et 25 mm, des rubans plus larges étant utiles lorsque la torsion et la cambrure de l'article ne sont-pas importantes. Le ruban peut comprendre 25 X 60 % en volume de filaments dont le diamètre est de l'ordre de 100 à 200 microns. Lorsqu'on utilise des filaments de 100 microns, le ruban peut avoir une épaisseur de 125 microns. Lorsqu'on utilise des filaments de 200 microns, le ruban peut avoir une épaisseur de 200 à 250 microns. Le ruban 6 qu'on préfère est une composition de la matrice métallique renforcée de fibres préparée comme représenté et décrit dans un article de John A. Alexander publié pages 58 à 63 du nurnéro de Juillet 1968 de la revue "Materials Engineering", qu'on incorpore au présent mémoire à titre de référence. Comme décrit dans cet article, on prépare les rubans à matrice métallique par électrodéposition ou par dépôt en phase vapeur, ou bien par dépôt d'une pulvérisation de métal par un plasma, sur des filaments en natière réi'rctaire, par , exemple en bore, en carbure de silicium et de bore, ou en carbure de si- licium. Les rubans 6 peuvent comprendre une ou plusieurs couches de fi lents 6a serrées dans la matrice 6b. Comme le montre la figure 2, les filaments ôa forment une couche unique et sont disposés longitudinalement, les filaments étant distants longitudinalement et enrobés dans une matrice métallique 6b. Cependant, le ruban peut contenir plus d'une seule couche de filaments. Comme le montre la figure 3, on réalise un corps 12 à partir de rubans 6 sur la feuille 4 pour obtenir l'épaisseur et la configuration voulues pour l'article. Comme représenté, la feuille 4 dépasse du mandrin 2. Une feuille 14 de couverture, de préférence en matière identique à celle de la feuille 4, est alors déposée sur le corps 12, et ses bords dépassent de manière à recouvrir ceux de la feuille 4, comme représenté. De préférence, les feuilles ont une épaisseur de l'ordre de 0,25 à 0,30 mm. Une matrice 16 ayant le profil voulu pour la face supérieure de l'article à former est comprimée contre la feuille 14 qui se trouve sur le corps 12. Les bords des feuilles 4 et 14 dépassent des mandrins 2 et 16 et on les soude en 18 pour former une enveloppe étanche autour du corps 12, mis à part un petit orifice 20 à une extrémité de l'ensemble, comme représenté sur la figure 4. Le corps 12 est alors protégé par une enveloppe étanche dans laquelle on fait le vide par l'orifice 20 de manière à chasser l'air et empêcher ltoxydation au cours de la phase finale d'association et de durcissement. On ferme le trou 20 après avoir suffisamment vidé l'enveloppe. Comme le corps 12 comprend des rubans durcis 6 qui sont eux-mêmes partiellement durcis lors de l'association par diffusion au cours de la réalisation du corps sur la feuille 4, le durcissement final de l'ensemble à la presse entre les mandrins 2 et 16 ne provoque qu'une faible décroissance du volume de l'en semble et constitue une bonne protection contre le déplacement des filaments ba. Lorsque la matière des feuilles de couverture et de base et la matrice métallique sont en matière à point de fusion élevé, par exemple en titane on réalise l'association assurant le durcissement final à des températures de l'ordre de 900 à 100oC 2 et à des pressions de 'lordre de 850 à 1050 kgZcm2. Lorsque le métal ou l'alliage qui cu stitue les feuilles de couverture et la matrice métallique a un faible point de fusion, par exemple dans le cas d'un alliage d'aluminium, on peut effectuer l'association par diffusion à des températures de l'ordre de 480 à 600 C avec des pressions de l'ordre de 280 à 630 kg/cm. Après l'opération d'association illustrée par la figure 5, on ébavure les bords soudés des feuilles 4 et 14 pour chasser la bavure 22. Comme représenté sur la figure 6, un élément profilé 24 terminé selon l'invention comporte une enveloppe 25 entourant complètement un corps interne 26, les filaments 6a étant disposés dans le corps longitudinalement à l'élément profilé. Il faut noter qu'on peut utiliser de nombreux types différents de filaments pour les rubans et qu'il est très souhaitable d'utiliser des matières réfractaires pour réaliser des éléments de turbine. De manière analogue, on peut utiliser comme matrice métallique divers métaux et alliages tels que l'aluminium, le titane, l'acier inoxydable, les superalliages tels que décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n9 3 005 705 et 2 146 136, ainsi que d'autres métaux réfractaires. On peut mettre en oeuvre le procédé de l'invention sous la commande d'un programme de calculateur assurant l'avance et l'alimentation en ruban , l'association, le soudage et l'ébavu: rage. Le procédé de l'invention élimine les déchets et réduit le nombre de phases nécessaires par rapport aux procédés antérieurs d'enroulement d'un feutre et de mise en forme de l'élément profilé. On évite la décomposition du liant en utilisant des rubans totalement durcis assemblés et maintenus lors de l'introduction directe entre les mandrins d'association par pression assurant la diffusion finale. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on 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. REVENDICATlONS 1. Article composite, caractérisé en ce qu'il comprend un corps en forme comprenant plusieurs couches de rubans à matrice métallique renforcée de fibres, disposés côte à côte et associés par diffusion à chaque couche contiguë, et une enveloppe fine en métal entourant le corps et associée par diffusion. 2. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filaments des fibres qui renforcent les rubans s'étendent dans le sens de la longueur des rubans. 3. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres des rubans sont en bore, carbure de silicium et de bore ou carbure de silicium et en ce que la-matrice métallique est en aluminium, titane, acier inoxydable ou superalliage. 4. Article selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a la forme d'un élément profilé. 5. Article selon la revendication 4, caractérisé en ce que le métal des rubans et de ltenveloppe est le titane. 6. Procédé de réalisation de 11 article selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose des rubans côte à côte sur une feuille de base dont la configuration correspond à celle voulue pour l'article, on dépose plusieurs couches de rubans pour former une pile de hauteur et de configuration voulues, on recouvre la pile d'une feuille souple, on associe de façon étanche les feuilles de couverture et de base, et on comprime à chaud l'ensemble pour associer les rubans sous forme d'un corps solidaire et pour associer le corps aux feuilles. 7. Procédé selon la reveiilication 6, caractérisé en ce que les rubans sont associés par diffusion, par chauffage et compression. 8. Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que la matrice est au moins en un métal ou alliage du groupe comprenant le titane, ltalunftnium et le titane, l'acier inoxydable et les superalliages.