Brevet FR2233128A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne un procédé de liaison brasée et plus particulièrement un traitement thermique de chauffage de zone intéressée par le brasage entre Lui alliage de titane et un acier inoxydable. Le problème se pose souvent dans les techniques spatiales de réaliser des jonctions mécaniques dans un circuit de fluide entre un réservoir d'hélium et une électrovanne par exemple, alors que les embouchures des appareils ne sont pas du même métal. Ainsi, des tubulures en alliage de titane ou en titane doivent se raccorder sur des tubulures en acier inoxydable, et l'on sait que l'incompatibilité métallurgique de ces métaux et alliages rend leur union par soudage autogène ou par brasage sinon impossible, tout au moins très délicate à réaliser, si l'on tient compte de la qualification spatiale qu'une telle jonction doit présenter dans le domaine de la résistance mécanique statique, de la résistance aux vibrations (fatigue et fragilité), Légende du tableau - S : Formation de solutions solides Ductilité excellente, résistance au moins égale à celle des matériaux de base, soudure excellente par toutes les méthodes - a : Structure complexe Exemple : grains de solution solide de différents % mélangés à grains eutectiques. Ductilité variable, légère fragilité : on devra expéri mentervle joint qui presque toujours pourra convenir. - X : La combinaison forme toujours des composés intermétal tiques très cassants. - D : systèmes connus incomplètement, sans composé défini connu. À utiliser avec beaucoup de précaution. - N : Systèmes inconnus dans la littérature. Ag Al Au Be Cd Co Cr Cu Fe Mg Mn Mo Nb Ni Pb Pt Re Sn Ta Ti Va W Zr ARGENT C S X C D C C D X C D N C C S D C X C D D X ALUMINIUM C X C X X X C X C X X X X C X N C X X X X X OR S X X X C D S C X X C N S X S N X N X D N X BERYLLIUM X C X N X X X X X X X X X N X X D D X X X X CADMIUM C X X N D D X D S D N N D C X N C N X N N D COBALT D X C X D C C C X C X X S C S S X X X X X X CPROME C X D X D C C C X C S X C C C S C X S D S X CUIVRE C C S X X C C C X S D C S C S D C D X D D X FER D X C X D C C C D C C X C C S X X X X S X X MAGNESIUM X C X X S X X X D D D N X X X N X N D N D D MANGANESE C X X X D C C S C X D X C X N X X X X D X MOLYBDENE D X C X N X S D C D D X D C X D S S S S X NIOBIUM N X N X N X X C X N X S X N X X X S S S S S NICKEL C X S X D S C S C X X X C S D X X X X X X PLOMB C C X N C C C C C X C D N C X N C N X N D X PLATIME S X S X X S C S S X X C X S X C X X X X S X RHENTUM D N N X N S S D X N N X X D N C D X X D X X ETAIN C C X D C X C C X X X D X X C X D X X X D X TANTALE X X N D N X X D X N X S S X N X X X S X S C TITA@E C X X X X X S X X D X S X X X X X X S S C S VANADIUM D X D X N X D D S N X S S X N X D X X S S X TUNGSTENE D X N X N X S D X D D S S X D S X D S C S X ZIRCONIUM X X X X D X X X X D X X S X X X X X C S X X Ce tableau montre la nature des composés formés naturedifférente, bien que cette liaison soit effectuée dans les conditions optimales du soudage auRgène par bombardement électronique sous vide. Comme on-peut le constater sur ce tableau, les composés entre titane et chrome sont parfaitement compatibles alors que les composés entré titane et fer et entre titane et nickel sont très fragiles. Du fait de leur présence dans les aciers inoxydables, une telle-liaison n'est pas admise en technologie spatiale. Si les solutions de soudage autogène sont peu souhaitées pour les raisons évoquées ci-dessus, il est par contre possible de définir un mode particulier de liaison brasés sous vide, dans la mesure où de nombreuses tentatives de jonctions brasées ont déjà été expérimentées à ce jour. Il est bien connu à cet égard que les alliages de titane ou le titane et l'acier inoxydable se prêtent séparément au brasage sous vide par des alliages de brasure bien déterminés et l'on peut citer à titre non limitatif les compositions suivantes de brasure pour le brasage des alliages de titane ou le titane avec eux-mêmes Composition de brasure Ti 4,5 % - Zr 5 Xo - Be le reste Ti 15 % - Cu 15 % - Ni le reste " " Ag 72 fo - Cu 28 % ri A1 68 68 % - Ag 52 % et pour l'acier inoxydable avec lui-même Ag, Au, Cu, Ni, Cr, Pd en % variable. Cependant, à la connaissance de la Demanderesse, aucune liaison brasée de qualité spatiale entre dés alliages de titane ou du titans et de l'acier inoxydable n'a encore pu être réalisée. Il en est de même pour une liaison brasée entre des alliages de titane ou du titane et le matériau connu sous le nom d"'INCONEL" et pour une liaison brasée entre du titane ou un al- liage de titane et du ferrochrome. La présente invention fournit donc un procédé de liaison brasée sous vide de qualité spatiale entre des éléments en alliage de titane ou titane avec de l'acier inoxydable, ce procédé mettant essentiellement en oeuvre un mode d'élaboration de la géométrie du joint, une brasure eutectique or-nickel et un traitement thermique de chauffage particulier. D'autres avantages et caractéristiques ressôrtiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins la figure 1 est une vue schématique d'un raccordement entre deux organes de satellite la figure 2 est une coupe photographique pratiquée dans un joint brasé de la figure 1 la figure 3 est un diagramme de chauffage suivant l'in vent ion les figures 4 et 5 sont des coupes micrographiques pratiquées dans la jonction de la figure 2. En se reportant à la figure 1,~~on voit le schéma d'une installation de fluide sur un satellite artificiel dans laquelle un réservoir HP repéré 1 est relié à une électro-vanne 2 commandant une tuyère 3 par deux liaisons tubulaires homogènes 4 et 5 et une liaison tubulaire hétérogène 6. Dans une telle disposition, les liaisons 4 et 5 de type homogène, c' est-à-dire acier inoxydable avec acier inoxydable ou alliage de titane avec alliage de titane, sont réalisées de manière connue et de préférence par soudure autogène, tandis que la liaison 6, entre les éléments 7 et 8, qui est nécessairement de type hétérogène est obtenue conformément à l'invention. La figure 2, qui est une vue micrographique au grossissement 12 pratiquée sur une coupe de la liaison 6 de la figure 1, montre l'aspect d'une telle liaison brasée entre l'élément tubulaire 7 qui est un tube de 6,35 mm de diamètre extérieur en alliage de titane T.40 et ltélément tubulaire qui est en acier inoxydable du type Z3 CN-18-10 de 8 mm de diamètre extérieur. Une telle liaison est obtenue, en pratique, de manière ci-après lies tubes à braser sont tout d'abord préparés par recuit sous un vide de 10 6 torr pendant 15 minutes à 8000C, après nettoyage soigné par solvant au bac ultra-sons. L'exposition à l'air ambiant doit toutefois être limitée à 10 jours environ afin d'éviter la formation de film d'oxyde sur titane et inox rendant le brasage plus difficile. La brasure du type eutectique or-nickel est prédisposéepar spires enroul plus petit tube dans la zone de jonction et se présente sous la forme d'un fil de 0,05 mm correspondant à environ 3 fois le volume du joint à chaud. les jeux du joint sont prévus de telle sorte que, prévus entre 0,01 mm et 0,05'mm à "froid", ils se situent entre 0,07 mm et 0,12 mm à chaud pour déterminer un film de brasure à "froid" d'épaisseur comprise entre 0,03 mm et 0,06 mm. lie cycle thermique de-brasage qui s'effectue au four à vide commence, comme on le voit sur la figure 3, par une montée à la température T1 correspondant à un palier de stabilisation 2 thermique de l'ardue de 9200 poursuivi pendant une durée t - t1 de l'ordre de 5 à 10 minutes, puis par une nouvelle montée à la température T2, correspondant à une température voisine du début théorique de la fusion de la brasure située vers 9500C, suivie d'une dernière montée plus lente à la température T3 correspondant à une température inférieure à la formation de l'eutectique titane-acier inoxydable, de telle sorte que. la zone de brasage qui est définie par la partie hachurée de la figure 3, se poursuive pendant la durée t4 - t3 de l'ordre de 2 à 3 minutes avant la chute de température rapide. jusqu'à 8000C puis lentement depuis 8000C jusqu'à 11 ambiante. lies microphotographies des figures 4 et 5 au grossissenent 500, qui correspondent aux zones 9 et 10 de la figure 2, montrent l'aspect d'une telle brasure une fois terminée. Ces micrographies indiquent la parfaite liaison tant du côté alliage de titane repéré 7 que du côté acier inoxydable repéré 8 et la brasure repérée 11 peut même montrer une phase très fine mise en évidence par une ligne sombre en bordure repérée 12 sur la figure 5. En fait, l'or qui fait partie intégrante de la brasure peut avoir une répartition homogène ou hétérogène dans la totalité du joint et les aspects métallurgiques, propres au genre de-brasage conforme à l'invention, peuvent bien entendu être toujours mis en évidence par des analyses micrographiques appropriées. lie type de jonction exposé n'est pas limité' à la forme de réalisation décrite, mais peut englober au contraire tous les cas où une liaison brasée de qualité -spatiale entre un alliage de titane du genre T40-TÀ3V2,5 ou un titane-du genre TA6V et l'acier inoxydable s'avère nécessaire. il en est de même pour une liaison brasée entre un alliage de titane des genres précités et le matériau connu sous le nom.d'INCOIUEL" et pour une liaison brasée entre un tel alliage et le ferrochrome. A titre indicatif, on précise le mode opératoire de 11 essai de qualification spatiale de la liaison brasée décrite dans le texte, avec les tubes de 6,35 mu de diamètre. L'essai d'étanchéité sous vide est pratiqué par la méthode du jet d'hélium, à la limite de sensibilité d'un détecteur de type "ALCATEL", qui pour une différence de pression de 1 bar détecte un niveau de fuite #10-7 N N cm3/S Be. L'essai d'étanchéité sous pression de 250 bars d'hélium mené par la méthode dite de "reniflage" à la limite de sensibilité du détecteur, n'a révélé aucune fuite d'où, pour une différence de pression de 250 bars, un niveau de fuite N 7 N cm?/s.. Par ailleurs, le "timbrage à 500 bars a été positif et n'a révélé à la radio aucune crique postérieure de même que ltessai d'éclatement produisant la rupture à 100 bars ne déterminait qu'une contrainte d'environ 85 hecto bars seulement. Enfin, lès essais de vibration entre 10 et 2 000 Hz avec des accélérations de 3 à 5 g en sinusoïdal et de 19 g en aléatoire pendant 4 minutes, n'ont pas affecté la brasure qui a conservé son étanchéité et ses caractéristiques mécaniques sous timbrage de 500 bars. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre d'exemple indicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra introduire toute équivalence entre ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. - REVENDICATIONS 1. Procédé de liaison brasée de qualité spatiale, caractérisé en ce qu'il prévoit une liaison présentant, conjointement, une géométrie particulière du joint, une préparation spéciale métallurgique ainsi que des surfaces et un cycle thermique déterminé produisant la fusion d'un alliage eutectique or-nickel prédisposé dans la zone de liaison ; ladite géométrie consistant à prévoir un jeu à froid" amenant un jeu à "chaud" convenant à l'assemblage et déterminant un film de brasure à "froid" d'épaisseur moyenne située entre 0,03 mu et 0,06 mu, ladite préparation spéciale métallurgique et des sur -faces consistant en un recuit sous vide de 10 6 torr à 800tu pendant 15 minutes et un nettoyage poussé aux ultra-sons, un cycle thermique consistant en un premier palier de chauffage pendant une durée de 5 à'10 minutes à une température de l'ordre de 9000C puis une deuxième période de chauffage de 2 à 3 minutes à une température située entre le début théorique de la fusion de la brasure et la température de formation de l'eutectique nickel-titane puis enfin un refroidissement à début rapide et fin lente de la liaison ainsi constituée. 2. Raccord brasé pour tubulures et éléments de circuits pressurisés de satellite mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des parties est en alliage de titane et l'autre partie en acier inoxydable. 3. Raccord brasé pour tubulures et éléments de circuits pressurisés de 'satellite mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des parties est en alliage de titane T40 TA 5 V 2,5 ou TA 6 V et l'autre partie en acier inoxydable Z3CN18i0. 4. Raccord brasé pour tubulures et éléments de circuits pressurisés de satellite mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des parties est en alliage de titane et l'autre partie en "INCONEL"ou en ferrochrome. 5. Raccord brasé pour liaison de tous éléments de natures métallurgiques selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les pièces appartiennent à des éléments autres que des tubulures et éléments de circuits pressurisés.