Brevet FR2463677A1 — publié le 19810227

L'invention concerne un élément de structure composite de type sandwich avec une âme en titane ou en alliage de titane et des couches de revêtement métalliques, notamment destiné à la fabrication d'éléments de structure légers soumis à de gros efforts thermiques et mécaniques. Dans l'industrie des engins volants et des turbines, de tels éléments de structure composite sont exposés à des tempé- ratures allant jusqu'à 5000C et, de plus, à de-gros efforts mécaniques tels que l'érosion, la cavitation ou l'impact de corps étrangers. Dans ces éléments composites, les parties constituant l'âme ont été, soit fraisées dans l'élément massif, soit préfa- briquées en tant que pièces brutes de forge et amenées à leur forme définitive par des usinages de finition. Il résulte de ces deux procédés des pièces brutes de poids élevé, une gran- de quantité de copeaux et de ce fait, des coûts élevés de ma- tière et de fabrication. Le rapport entre le poids de la pièce brute et celui de la pièce terminée est encore plus défavora- ble pour les pièces qui doivent être exécutées sous forme de treillis ou de nervures pour économiser du poids. On sait déjà fabriquer, conformément au Brevet des Etats- Unis d'Amérique NO 4 029 838 des pièces subissant des efforts élevés et soumises à une érosion et une corrosion de surface, à partir d'une structure stratifiée alternativement de titane et d'aluminium renforcé de fibres. Dans ce cas, les couches épaisses sont fabriquées en aluminium renforcé de fibres et les couches minces en titane. En outre, les couches sont assem- blées par collage. Du fait des âmes en aluminium plus molles que les couches de revêtement en titane et de leur assemblage par un adhésif, ces stratifiés ne conviennent pas pour des éléments de structure soumis à des efforts élevés, à la fois mécaniques et thermiques. C'est un but de l'invention de fournir un élément compo- site de type sandwich qui, pour un prix de fabrication accep- table, permette des économies de matière et résiste à des ef- forts mécaniques et thermiques extrêmement élevés. Ce but est atteint avec un élément composite caractérisé en ce que l'âme est en poudre de titane formée par compression isostatique à chaud, âme sur laquelle, après enlèvement d'une couche d'oxyde de titane, les couches de revêtement métalli- ques sont soudées par brasage fort. L'âme peut présenter une structure en treillis qui peut être remplie par une substance de remplissage, par exemple du nid d'abeilles. Par ailleurs, les couches de revêtement sont avantageusement constituées par de minces tôles d'aluminium renforcé de fibres par exemple de bore. Avant d'être brasées sur l'âme, les tôles individuelles sont soudées l'une avec l'autre. Avant le brasage, l'âme de titane est avantageusement munie d'une mince couche de protec- tion métallique et les couches de revêtement sont brasées par la formation d'un entectique des couches de protection et d'aluminium. L'invention prévoit également que les bords de l'élément de structure soient entièrement en titane, les cou- ches de revêtement étant encastrées dans l'âme à une certaine distance du bord et formant une surface plane avec le bord de l'âme. Avec l'élément de structure composite de l'invention, il suffit que l'âme brute, fabriquée par compression isostati- que, soit seulement très légèrement surdimensionnée, de sorte que, par rapport à la masse terminée, il ne faut qu'une consom- mation de poudre de titane très légèrement supérieure et qu'un temps de travail très court. Du fait de l'application par bra- sage fort des couches de revêtement en métal léger, notamment en aluminium renforcé de fibres de bore, les surfaces de liai- son pour transmettre les forces depuis les couches de revête- ment jusqu'à l'âme sont tout à fait suffisantes même lorsque l'âme a une structure en treillis. On obtient des caractéris- tiques de résistance de l'ensemble de l'élément composite par- ticulièrement favorables, si les couches de revêtement sont constituées de plusieurs épaisseurs d'aluminium renforcé de fibres de bore entrecroisées. L'invention ouvre un nouveau domaine d'utilisation pour la compression isostatique à chaud; ainsi se trouvent éliminés des préjugés selon lesquels il n'est pas possible de fabriquer de façon économique en construction légère de type sandwich des éléments de structure subissant de gros efforts mécaniques et thermiques, tels que des parties d'ailes pour des engins volant à plusieurs Mach. L'invention est décrite plus en détail ci-après, en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue d'un gouvernail d'engin volant, et la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. Un gouvernail 1 pour un engin volant, représenté sur le dessin, est fabriqué en construction sandwich et il comprend une structure nervurée 2 de type treillis et des couches de revêtement identiques 3 de chaque côté. Sur la figure 1, une partie de la couche de revêtement supérieure 3 a été enlevée, grâce à quoi on peut voir la structure nervurée 2 partiellement en élévation. Pour améliorer la rigidité, on prévoit dans la structure nervurée 2 un remplissage en nid d'abeilles 4. Pour que ce gouvernail ait une surface lisse, les couches de revête- ment 3 comme vu sur la figure 2, sont encastrées dans un bord 5 de la structure nervurée 2 qui en fait le tour. Le gouvernail est monté sur un fuselage non représenté par une bride 6 et il est actionné par l'intermédiaire de celle-ci. La structure nervurée 2 est fabriquée en poudre de titane par exemple en alliage aluminium-titane TiAl6V4, par compression isostatique à chaud. Bien que la compression isostatique à chaud soit un procédé de fabrication connu, les phases d'opérations nécessaires sont exposées brièvement ci-après: - fabrication d'un moule positif en substance métallique ou non métallique pour la capsule de compression isostatique à chaud; - dépôt électrolytique de nickel sur le moule positif - enlèvement de la matière du noyau des capsules de nickel - analyse de la poudre de titane remplissage des capsules de compression isostatique à chaud avec la poudre de titane et exécution des phases du procédé de compression isostatique à chaud; - décrochage des capsules de nickel de la pièce brute en titane; traitement mécanique des surfaces extérieures de la pièce brute pour l'application des couches de revêtement en aluminium au bore. Dans le gouvernail d'un engin volant environ à Mach 3, les couches de revêtement 3 sont constituées par plusieurs minces tôles d'aluminium renforcé de fibres de bore. Les tôles d'environ 0,2 mm d'épaisseur sont fabriquées en fixant sur une feuille d'aluminium des couches de fibres de bore à l'aide d'aluminium pulvérisé en plasma. Pour accroître la résistance, on superpose cinq tôles en alternant l'orientation des fibres, les tôles étant ensuite soudées ou brasées ensemble par exem- ple par brasage fort. Au lieu de cinq tôles, on peut, selon les efforts à subir par les tôles et leur épaisseur individuel- le, utiliser moins de tôles, ou davantage. Les orientations des fibres doivent être calculées selon les efforts à subir. - Pour préparer le brasage des couches de revêtement 3 sur la structure nervurée 2 dont l'usinage est terminé, on enlève de celle-ci, de façon connue, par exemple sous vide poussé, la couche d'oxyde de titane et on applique immédia- tement une couche de protection métallique par métallisation sous vide ou on la répartit par pulvérisation. Ensuite, les couches de revêtement 3 peuvent être appliquées sur la struc- ture nervurée 2 par brasage fort. Un procédé économique con- siste à effectuer le brasage à la température de formation de l'eutectique de la couche de protection métallique et de l'aluminium. Lors de la phase liquide se produisant,à cette température, la couche de protection métallique sert en même temps de substance de brasage et elle diffuse dans les couches de revêtement. Il en résulte une liaison par brasage extrême- ment résistante qui inclut les couches de revêtement dans l'assemblage résistant de la structure nervurée. REVENDICATIONS 1. Elément composite de type sandwich avec une âme en titane ou en alliage de titane et des couches de revêtement métalliques, notamment destiné à la fabrication d'éléments de structure légers soumis à de gros efforts thermiques et méca- niques, caractérisé en ce que l'âme (2) est en poudre de titane formée par compression isostatique à chaud, âme sur laquelle, après enlèvement d'une couche d'oxyde de titane, les couches de revêtement (3) métalliques sont soudées par brasage fort. 2. Elément composite selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'âme (2) a une structure en treillis. 3. Elément composite selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la structure en treillis de l'âme (2) est rem- plie par une substance de remplissage, par exemple du nid d'a- beilles (4). 4. Elément composite selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que les couches de revête- ment (3) sont constituées par de minces tôles en aluminium ren- forcé de fibres. 5. Elément composite selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les tôles constitutives des couches de revête- ment (3) sont en aluminium renforcé de fibres de bore. 6. Elément composite selon la revendication 4, caracté- risé en ce que, avant d'être brasées sur l'âme (2), les tôles individuelles sont soudées l'une avec l'autre. 7. Elément composite selon la revendication 6, caracté- risé en ce que l'âme (2) de titane est munie, avant le brasage, d'une mince couche métallique de protection, et les couches de revêtement sont brasées par la formation d'un eutectique de la couche de protection et des couches d'aluminium. 8. Elément composite selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce que les bords (5) de l'élé- ment de structure (1) sont entièrement en titane et les couches de revêtement (3) sont encastrées dans l'âme (2) à une certaine distance du bord et elles forment une surface plane avec le bord de l'âme.