Brevet FR2334495A1 — publié le 19770708

La présente invention a pour objet un outillage de rigidification nécessaire l'élaboration de matériaux, a taux de fibre défini, obtenus a partir de fibres de carbone et/ou de graphite compactées et densifiées par le procédé de dépôt en phase vapeur de pyrocarbone. Le procédé connu de dépit en phase vapeur de pyrocarbone est un mode de densification qui consiste déposer par craking du méthane sur des fibres de carbone et/ou graphite chauffées une température d'environ 1100 C, une matrice de pyrocarbone. Un tel procédé permet d'obtenir des matériaux composites de forte densité dont les propriétés mécaniques et thermiques les rendent aptes å être utilisés dans des applications de l'industrie aéronautique et aérospatiale. L'outillage de rigidification concerné par l'invention est du type comprenant deux plateaux entre lesquels est disposée la pièce a rigidifier, et des moyens de support qui enserrent ltensemble constitué par les plateaux et la pièce 9 traiter. La pièce k rigidifier peut etre réalisée à partir de fibres de carbone et/ou graphite présentant les formes les plus diverses, par exemple tissus, feutres, tresses, fils et fibres coupés. Les fibres utilisées comme renfort peuvent en particulier dtre des strates de tissus de carbone et/ou graphite par exemple k tissage satin, toile ou tricot et précurseur rayonne, polyacrylonitrile (PAN) ou brai. Pour obtenir, partir de la pièce de base constituée de fibres, une piece taux de fibre défini, il est nécessaire de compacter et densifier les fibres par un procédé, du type défini ci-dessus, de dépôt en phase vapeur de pyrocarbone, et par suite d'utiliser un outillage assurant le maintien de la pièce pendant toute l'opération d'infiltration de pyrocarbone jusqu'a rigidification de la pièce. Les outillages de rigidification utilisés jusqu'a présent pour assurer le maintien du compactage des fibres sont variés et dépendent de la forme de la pièce k rigidifier. Toutefois, tous les outillages connus nécessitent l'utilisation de tiges filetées en acier inoxydable pour assurer une liaison entre les plateaux et la pièce à rigidifier. Un exemple d'outillage de rigidification de type connu, adapté pour la réalisation d'un anneau partir d'un empilage de strates de tissu est représenté sur la figure 1. La figure 1 représente une vue en coupe axiale travers un outillage connu de rigidification d'une pièce en forme d'anneau. L'outillage comprend deux plateaux 1 et 2 en graphite entre lesquels est disposée une pièce 3 en fibres de carbone et/ou graphite et devant être rigidifiée par le procédé de dépot en phase vapeur de pyrocarbone. Des tiges filetées 4, en acier inoxydable, traversent les deux plateaux 1 et 2 et assurent, grâce à des écrous 5, également en acier inoxydable, situés aux extrémités des tiges filetées 4 à l'extérieur des plateaux 1 et 2, une solidarisation des plateaux 1 et 2 et de la pièce 3 disposée entre les deux plateaux 1 et 2. Des entretoises 6 en graphite, disposées dans des espaces libres entre les plateaux 1 et 2, s'appuient sur les faces internes des plateaux 1 et 2. Des cavaliers 7 en graphite disposés à l'extérieur des plateaux i et 2 s'appuient sur les faces externes de ces derniers. Toutefois, des cales 8 en feutre de carbone sont disposees entre les cavaliers 7 et la face externe du plateau supérieur 1. L'infiltration de pyrocarbone dans la pièce 3 s'effectue de façon prédominante par les faces latérales de la pièce. Des orifices 9 sont également ménagés dans les plateaux 1 et 2 en face de la pièce 3, afin de permettre l'infiltration de pyrocarbone dans la pièce 3 par ses faces supérieure et inférieure. L'utilisation d'outillages connus du type de celui décrit en référence à la figure 1 s'avère etre d'un prix de revient élevé, en particulier parce que, dans la plupart des cas, les plateaux de graphite sont cassés après le premier traitement d'infiltration. Cet inconvénient résulte de la structure même des outillages. En effet, au cours du traitement de rigidification, lors de la montée en température, les éléments en graphite et les tiges filetées en acier inoxydable se dilatent. Les tiges filetées présentent une dilation particulierement importante et la pièce 3, qui n'est pas encore durcie, suit l'expansion des tiges filetées 5, augmentant ainsi en hauteur. L'expansion en hauteur des tiges filetées 5, de la pièce 3 et des plateaux 1 et 2 compense une partie du jeu ménagé entre les cavaliers 7 et le plateau 1, en comprimant les cales 8 de feutre de carbone. Lors du refroidissement, la pièce 3, qui est durcie, présente un retrait égal à celui calculé à l'aide de son coefficient de dilatation. Ce retrait est très inférieur à celui des tiges filetées 5, de sorte que, lors du refroidissement, les tiges filetées 5 reprennent leur dimension initiale, tandis que la piece 3 garde une hauteur supérieure à sa hauteur initiale avant traitement.Les plateaux 1 et 2 en graphite sont alors soumis à des contraintes importantes en flexion, et cassent. L'utilisation d'un outillage connu du type décrit ci-dessus présente encore d'autres inconvénients. En particulier, les pièces ont, après infiltration, un gain en hauteur variable avec l'outillage utilisé, ce qui entraine une variation du taux de fibre et risque de provoquer des décohésions locales. L'invention a précisément pour but de réaliser un outillage qui permette d'éviter que la pièce a rigidifier gagne en hauteur au cours de la montée en température et par suite, soit soumise à des contraintes lors du refroidissement. L'invention a encore pour objet de réaliser un outillage de rigidification dont les dimensions sont réduites et qui ntest pas soumis à des contraintes excessives. L'invention rend également non nécessaire l'utili- sation d'éléments d'assemblage complémentaires tels que des tiges filetées en acier inoxydable. L'outillage, selon l'invention, du type mentionné au début, est tel que des cales de compensation de dilatation, dont le coefficient de dilatation moyen a la température de traitement est supérieur au coefficient de dilatation des moyens de support, sont insérées entre, d'une part, l'ensemble constitué par les plateaux et la pièce a traiter et, d'autre part, les moyens de support, et ont une épaisseur dimensionnée de manière que, lors du traitement de rigidification, la pièce k rigidifier présente une hauteur prédéterminée. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, 1 'épaisseur des cales de compensation de dilatation est telle que, lors du traitement de rigidification, la pièce a rigidifier conserve sa hauteur initiale. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur des cales de compensation de dilatation est surdimensionnée, de telle sorte que, lors du traitement de rigidification, la pièce a rigidifier présente une hauteur légèrement inférieure k sa hauteur initiale que, lors du refroidissement, la pièce est relâchée par les moyens de support. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur des cales de compensation de dilatation est sous-dimensionnée, de telle sorte que, lors du traitement de rigidification, la pièce a'rigidifier présente une hauteur légèrement supérieure a sa hauteur initiale, et que, lors du refroidissement, la pièce est soumise à des contraintes calculables. L'outillage de rigidification selon l'invention peut être réalisé a partir de différents matériaux. Selon un mode préféré de réalisation, les cales sont en acier inoxydable et les moyens de support sont en graphite ou en molybdène. Les outillages selon l'invention peuvent présenter diverses configurations, suivant la forme de la pièce a rigidifier. Les moyens de support peuvent en particulier présenter la forme de cavaliers, ou de tiges filetées munies d'écrous. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront mieux à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisa tion non limitatifs, la description étant faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels La figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un outillage de rigidification connu, dont la description a été faite ci-dessus, la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un exemple de réalisation d'un outillage de rigidification conforme à l'invention et la figure 3 est une vue partielle schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'un outillage de rigidification conforme à l'invention. La figure 2 représente le schéma simplifié, en coupe axiale, d'un exemple d'outillage conforme à l'invention adapté pour réaliser une pièce en forme de disque. L'outillage conforme à l'invention est toutefois adaptable pour réaliser des pièces de formes très diverses, telles que disques, anneaux, pièces carrées ou rectangulaires. De même, comme cela a été mentionné plus haut, les pièces peuvent être réalisées à partir de fibres de carbone et/ou graphite de formes variées. Sur la figure 2, on voit deux plateaux 11 et 12 en graphite entre lesquels est disposée la pièce à rigidifier 13. L'ensemble constitué par la pièce 13 et les plateaux 11 et 12 est maintenu par des cavaliers 14 en graphite. Le nombre des cavaliers 14 peut être variable et dépend de la pression à exercer sur l'empilement constitué par la pièce 13. Des cales 15 en acier inoxydable, dont le coefficient de dilatation moyen à la température de traitement, voisine de 11000C, est de l'ordre de quatre fois celui du graphite commercial de qualité ordina re utilise pour constituer les cavaliers 14 et les plateaux 11, 12, sont insérées entre les cavaliers 14 et le plateau 11.Lors du traitement, le Pyrocarbone obtenu par cracking du méthane est déposé sur les fibres de la pièce 13 au niveau des faces latérales de la pièce 13. I1 est également possible, bien que ce ne soit pas indispensable, de menager des orifices d'infiltration, non représentés sur la figure 2, dans les plateaux 11 et 12 afin de permettre l'infiltration de pyrorarbone dans la pièce 13 par ses faces supérieure et inférieure. L'épaisseur des cales 15 en acier inoxydable est calculée de manière à ce que la dilatation des cales 15 compense exactement celle des cavaliers 1' sur une longueur égale à la hauteur h de la pièce 13.D'autre part, dans l'exemple de la figure 2, la dilatation des cavaliers 14 sur la longueur correspondant à l'épaisseur des plateaux 11, 12 est compensée exactement par la dilatation de ces plateaux 11, 12, puisque les cavaliers 14 et les plateaux 11, 12 sont constitués par le même matériau. De cette manière, la pièce 13 conserve ses cotes initiales pendant toute la durée du traitement, et du refroidissement, et ne présente aucune décohésion. D'autre part, l'outillage n'est soumis à aucune contrainte et reste réutilisable pour le traitement successif de plusieurs pièces. De plus, les plateaux 11, 12 qui ne sont soumis à aucune contrainte excessive, peuvent avoir une épaisseur relativement faible, et permettre l'utilisation de cavaliers 14 de hauteur réduite, ce qui réduit l'encombrement.D'autre part, la hauteur e des cales 15 est négligeable par rapport à la hauteur totale des cavaliers, et en particulier par rapport à la hauteur h de la pièce 13. En effet, les cales 15 en acier inoxydable présentent un coefficient de dilatation très supérieur à celui du graphite. Ainsi, l'épaisseur e d'une cale 15, prévue pour compenser la dilatation des cavaliers 14 en graphite sur une distance correspondant à la hauteur h de la pièce 13, reste très inférieure à ladite hauteur h, puisque le rapport e/h est détermine pour etre égal au rapport des coefficients de dilatation respectivement du matériau constituant les cavaliers 14 et du matériau constituant les cales 15. Des cales 15 peuvent naturellement être disposées aussi bien entre le plateau 11 et les cavaliers 14 qu'entre le plateau 12 et les cavaliers 14. Dans le cas ou plusieurs cales 15 sont interposées entre un meme cavalier 14 et les plateaux 11, 12, l'épaisseur e prévue pour compenser la dilatation des cavaliers 14 en graphite sur une hauteur correspondant à la hauteur h de la pièce 13, représente la hauteur totale de l'ensemble des cales 15 interposées entre le même cavalier 14 et les plateaux 11, 12. Comme indiqué précédemment, si l'on souhaite que, lors du refroidissement, la pièce soit relâchée ou soumise à des contraintes, on peut prévoir, conformément à l'invention, de respectivement sur- ou sous-dimensionner l'épaisseur des cales 15, par rapport à la valeur e prévue pour compenser exactement la dilatation des cavaliers 14 suivant la hauteur h de la pièce. L'outillage représenté sur la figure 2 peut faire l'objet d'un grande nombre de variantes. Par exemple, sur la figure 3, l'ensemble constitué par les deux plateaux en graphite 11, 12 et la piece 13 est maintenu par des tiges filetées 16 munies d'écrous 17. Les tiges 16 et les écrous 17 peuvent etre en graphite, ou en molybdene lorsque la résistance mécanique doit être importante, et jouent le rôle des cavaliers 14 de la figure 2. Les cales 15 de compensation de dilatation sont insérées entre le plateau 11 ou le plateau 12 et les écrous 17. Comme dans l'exemple de la figure 2, les cales 15 sont dimensionnees de façon à ce que leur dilatation au cours du traitement compense la dilatation des tiges filetées sur la hauteur h de la piece 13. Les cavaliers 14 de la figure 2 ou les tiges filetées 16 de la figure 3 sont constitués en des matériaux appropriés, tels que le graphite, le molybdène, le tungstène, qui présentent un coefficient de dilatation pratiquement égal au coefficient de dilatation du graphite constituant les plateaux 11, 12. Ainsi, la dilatation des tiges filetées sur la distance correspondant à l'épaisseur des plateaux 11, 12 est compensée par la dilatation de ces mêmes plateaux 11, 12. L'ensemble constitué par les deux plateaux 11, 12 et la pièce 13 qui peut etre constituée par des fibres coupées en vrac, peut également être monté dans une pièce creuse en graphite, deux pistons de graphite venant exercer une pression sur les plateaux 11 et 12 pour compacter les fibres de la pièce 13. Les pistons jouent le roule des branches des cavaliers 14 de la figure 2, et la pièce creuse joue le rôle du corps des cavaliers 14. Conformément à l'invention, des cales 15 de compensation de dilatation sont alors insérées entre les pistons et les plateaux de la même manière qu'entre les cavaliers et les plateaux du dispositif représenté sur la figure 2. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation de l'invention décrits, à titres d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVEND ICATI ON S 1. Outillage de rigidification servant k la fabrication d'une pièce composite a base de fibres de carbone et/ou de graphite compactées et densifiées par dépôt de pyrocarbone, lequel outillage comprend deux plateaux entre lesquels est disposée la pièce k rigidifier, et des moyens de support qui enserrent l'ensemble constitué par les plateaux et la pièce à traiteur, caractérisé en ce que des cales de compensation de dilatation, dont le coefficient de dilatation moyen la température de traitement est supérieur au coefficient de dilatation des moyens de support, sont insérées entre, d'une part, l'ensetrible constitué par les plateaux et la piece a traiter et, d'autre part, les moyens de support, et ont une épaisseur dimensionnée de manière que, lors du traitement de rigidification, la pièce rigidifier présente une hauteur prédéterminée. 2. Outillage de rigidification selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cales de compensation de dilatation présentent une épaisseur dimensionnée de telle sorte que, lors du traitement de rigidification, la pièce a rigidifier conserve sa hauteur initiale. 3. Outillage de rigidification selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cales de compensation de dilatation ont une épaisseur surdimensionnée de telle sorte que, lors du traitement de rigidification, la pièce rigidifier présente une hauteur légèrement inférieure la hauteur initiale. 4. Outillage de rigidification selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cales de compensation de dilatation ont une épaisseur sousdimensionnée de telle sorte que, lors du traitement de rigidification, la pièce 9 rigidifier présente une hauteur légèrement supérieure sa hauteur initiale. 5. Outillage de rigidification selon l'une quelconque des revendications 1 å 4, caractérisé en ce que les moyens de support sont en graphite et les cales en acier inoxydable. 6. Outillage de rigidification selon 1'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que les moyens de support sont en molybdène et les cales en acier inoxydable. 7. Outillage de rigidification selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caractérisé en ce que les moyens de support présentent la forme de cavaliers. 8. Outillage de rigidification selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de support présentent la forme de tiges filetées munies d'écrous.