Brevet FR2501811A1 — publié le 19820917

La présente invention se rapporte à une pièce composite qui comporte un feuillet de garniture comprenant une étoffe en fibres de verre et en fibres de résine fluorocarbonée tissées ensemble. De préférence, l'étoffe est tissée d'une manière telle que la surface à utiliser comme surface de portée de la pièce moulée résultante est constituée princi- palement ou essentiellement par des fibres de polytétrafluoro- éthylène (PTFE) apparentes. En outre, la surface opposée est tissée de façon que les fibres de verre y soient apparentes afin de faciliter la liaison avec un feuillet de support. Un mode de réalisation spécifique constitué par un manchon comprend deux feuillets de garniture annulaires disposés sur les côtés opposés d'un feuillet de corps annulaire et constituant une pièce stratifiée. Le feuillet ou couche de corps comprend au moins une nappe d'étoffe en fibres de verre et il est disposée dans une orientation prédéterminée par rapport aux feuillets ou couches de garniture pour donner une résistance perfectionnée à la structure lamifiée. Enfin, une matrice adhésive imprègne les feuillets de corps et de garniture pour les lier ensemble. Les adhésifs préférés pour former la matrice sont par exemple les résines polymères capables de résister à des températures élevées, notamment les résines époxydes et polyimides. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en perspective avec coupe d'un mode de réalisation constitué par un manchon de la pièce composite de la présente invention. Figure 2, une vue schématique éclatée montrant les orientations angulaires relatives des fibres de verre de la pièce; Figure 3, une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, d'une paire de manchons coopérants montés dans un palier. Sur la Figure 1, à laquelle on se référera, on a repré- senté une pièce désignée par la référence générale 10 qui se présente sous la forme d'un manchon lamifié moulé et qui peut être utilisé, par exemple, dans un ensemble de stator variable faisant partie du compresseur d'un moteur à turbine à gaz. Le manchon est une structure composite qui comprend une matrice de résine époxyde ou polyimide durcie contenant et liant entre eux des feuillets de corps et de garniture. On peut obtenir une telle configuration en pressant et en moulant la pièce dans une matrice de forme appropriée au moyen de procédés bien connus dans la technique. Le manchon iO comporte une paire de parties ou feuillets de garniture extérieurs 12 et un corps ou feuillet intermédiaire 14. Le corps 14 est un élément en fibres de verre, tel qu'une toile en fibres de verre. Chacun des deux feuillets ou éléments de garniture extérieurs 12 comporte deux surfaces: une surface extérieure 16 et une surface intérieure désignée par la référence générale 17. Chaque feuillet 12 comprend une étoffe tissée composite-en fibres d'une matière capable de se lier, telles que des fibres de verre, et en fibres d'une matière à faible frottement, telles que des fibres de PTFE. Cette étoffe composite est tissée de façon que les fibres à faible frottement soient essentiellement appa- rentes sur la surface extérieure 16 pour réduire au minimum le frottement entre une telle surface et un élément coopérant, pendant la durée de vie d'usure de la couche extérieure 12. La matière en fibres à faible frottement ne se lie pas facilement, dans la plupart des cas, avec la matière du corps 14 et, pour assurer une bonne liaison, les fibres capables de se lier sont tissées sur l'envers ou côté inté- rieur des fibres à faible frottement tissées, de façon que la surface intérieure 17 soit constituée par une surface qui se lie facilement. Il est bien entendu que l'on peut utiliser divers types d'armures pour former l'étoffe composite ayant, d'un coté, les fibres à faible frottement et, du côté opposé, les fibres capables de se lier. Un exemple de ce type d'armure peut être trouvé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique redélivré Re 24.765 au nom de C.S. White. Un autre exemple connu des 25018 11 spécialistes de la technique et utilisé dans le mode de réalisation de la présente invention représenté ici est une "armure satin composite" de fibres de verre capables de se lier tissées avec des fibres de PTFE à faible frottement Cette étoffe composite est tissée de telle sorte que la surface qui doit être utilisée comme surface de portée exté- rieure 16 du coussinet lamifié moulé résultant est essentiel- lement constituée par des fibres de PTFE apparentes. La surface intérieure opposée 17 est tissée de façon à ne conte- nir que des fibres de verre s'étendant dans la direction de la trame ou du remplissage et des fibres de PTFE qui s'étendent dans les directions de la chaîne et de la trame. On peut utiliser des fibres autres que des fibres de verre dans les feuillets de corps et de garniture sous réserve que les fibres des feuillets de garniture qui doivent être tissées avec les fibres de résine fluorocarbonée à faible frottement puissent se lier facilement aux fibres de corps. On a utilisé spécifiquement des fibres de verre à la fois dans les feuillets de garniture et dans le feuillet de corps du mode de réalisation représenté du fait qu'en plus de leur caractéristique de capacité de liaison, elles possèdent également une résistance propre au matériau relativement élevée. L'emploi d'une étoffe en fibres de verre dans le corps de l'élément de coussinet permet d'obtenir une pièce finie qui possède une résistance importante à la déformation. L'emploi de fibres de verre tissées avec les fibres de résine fluorocarbonée à faible frottement permet d'obtenir un feuillet de garniture à structure renforcée qui peut être facilement lié au corps. En outre, les fibres capables de se lier du feuillet de garniture peuvent être orientées dans des direc- tions prédéterminées par rapport aux fibres du corps pour produire un élément de coussinet résultant ayant des caracté- ristiques de résistance élevées dans des directions préféren- tielles. Par exemple, toutes les fibres du corps et les fibres capables de se lier des feuillets de garniture peuvent être alignées parallèlement à un axe longitudinal de l'élément de coussinet de sorte qu'on obtient ainsi une pièce ayant une caractéristique de résistance relativement élevée suitiant l'axe longitudinal et une caractéristique de résistance relativement faible, par voie de conséquence, dans le plan transversal. Suivant une variante, les fibres capables de se lier des feuillets de garniture peuvent être inclinées par rapport aux fibres du corps pour adapter la caractéris- tique de résistance directionnelle de l'élément de coussinet de façon qu'elle corresponde à une direction particulière d'application de charge de portée. On comprendra à la lecture des explications qui précèdent que l'on peut obtenir un élément de coussinet ayant une résistance propre au matériau quasi-isotropique en utilisant des nappes de garniture dans lesquelles les fibres sont uniformément réparties et espacées d'angles égaux les unes par rapport aux autres. Par exemple, si l'on observait une projection dans un plan perpendiculaire au plan de l'élément de coussinet, montrant l'orientation relative des fibres capables de se lier de la nappe ou des nappes de garniture par rapport aux fibres capables de se lier de la nappe ou des nappes de corps, on verrait une orientation angulaire relative des fibres telle que représen- tée sur la figure 2. Plus précisément, la figure 2 montre l'orientation angulaire relative des fibres de verre de l'étoffe des feuil- lets de garniture par rapport aux fibres de verre du feuillet de corps 14 dans un mode de réalisation quasi-isotropique de l'invention. La nappe de corps 14 qui comprend au moins une cou- che d'étoffe en fibres de verre, a au moins des fibres de chaîne ou de trame orientées à un angle compris entre environ 350 et environ 550 par rapport aux fibres de verre des nappes de garniture 12. En outre, les fibres de verre orientées dans la direction de la trame de chaque nappe de garniture 12 sont orientées à un angle compris entre environ.800 et environ 1000 par rapport aux fibres de verre orientées dans la dïrec- tion de la trame de l'autre nappe de garniture. Cette disposi- tion des fibres de verre produit un élément composite quasi- isotropique qui possède la résistance nécessaire pour supporter les charges imposées aussi bien en usure qu'en fatigue dans le milieu très rigoureux d'un compresseur de moteur à turbine à gaz. En outre, cette structure composite fournit une pièce manufacturée finie qui est dimensionnellement stable et qui n'est pas susceptible de se déformer après le processus de fabrication. On a représenté de manière plus détaillée sur la figure 3 une application du manchon de la figure 1, la figure 3 montrant une paire de manchons supérieur et inférieur coopé- rants 10 tels que ceux utilisés dans un ensemble de stator variable utilisé dans le compresseur d'un moteur à turbine à gaz. Les manchons supérieur et inférieur sont montés autour d'un organe 20, tel que le carter d'un compresseur. Chaque manchon comporte deux surfaces de portée disponibles pour coopérer avec des surfaces de portée opposées coopérantes. Par exemple, le manchon inférieur est, en outre, disposé entre le carter 20 du compresseur et un organe 21 du moteur, tel qu'une aube de compresseur et a ses deux surfaces de portée qui coopèrent avec eux. Un procédé de fabrication du manchon de la figure 1, comporte la préparation d'une couche de corps en fibres de verre tissées et de deux couches de garniture en étoffe de fibres de verre - fibres de PTFE. Le feuillet de corps cOaporte une étoffe en fibres de verre du type "satin de 4" (crowfott ) et chacun des feuillets de garniture est en une étoffe à "armure satin composite" de fibres de verre et de PTFE. Ces armures sont bien connues des spécialistes de la technique et, par conséquent, on ne les décrira pas en plus de détail. On imprègne tout d'abord des flans des feuillets de corps et de garniture, à la température ambiante, d'une résine polymère. La-résine choisie plus particulièrement pour un fonctionnement à haute température est une résine thermodurcissable du type polyimide qui dégage une quantité limitée de sous-produits volatils au cours du préformage ou du durcissement. On peut obtenir des résines de ce type dans le commerce de diverses sources, telles que la société Monsanto Company et la société E.I. duPont de Nemours & Company. Après imprégnation, on durcit partiellement chaque flan dans un four à circulation d'air, par exemple, à 1070C, pendant 30 minutes, principalement pour chasser la plus grande partie des solvants. Dans la technique ceci est appelé durcissement à l'état B. On découpe alors les flans aux dimensions pour les assortir afin de pouvoir les mouler sous pression en coquilles et on les soumet à un traitement supplémentaire à 1070C pendant une période allant de 2 à 4 heures. On empile alors les feuillets découpés partiellement durcis dans ces coquilles dans la disposition en sandwich représentée sur la figure 1, le corps en étoffe de verre formant le feuillet central dans le but d'accroître la résis- tance et les feuillets en étoffe de verre PTFE formant les parties extérieures. Dans un mode de réalisation préférentiel, chaque nappe particulière est orientée dans des directions prédéterminées comme représenté sur la figure 2., pour donner une résistance accrue à la structure lamifiée composite. Avant de fermer les coquilles, on provoque le ramollissement dans ces coquilles des feuillets empilés partiellement durcis pendant 45 à 60 secondes à une température de 176,50C. On ferme alors les coquilles et on les maintient à 176,50C tout en appliquant une pression d'environ 345 bars aux feuil- lets empilés. On maintient cette étape de durcissement-pendant 8 à 10minutes. On soumet ensuite les feuillets empilés à un traitement de post-cuisson qui comporte la maintien de la température à 176,50C pendant 30 minutes suivi d'une augmentation progressive, par paliers de 27,80C, jusqu'à 3150C compris et en maintenant chacune de ces températures pendant 30 minutes, la dernière température de 3150C étant maintenue pendant 480 minutes (8 heures). Enfin, on laisse la pièce ainsi durcie refroidir à la température ambiante et on lui donne sa forme définitive en enlevant, le cas échéant, la matière en excès et les bavures. Les spécialistes de la technique comprendront que les températures et les périodes de maintien ci-dessus indiquées sont toutes des valeurs approximatives et qu'on peut les modifier et obtenir néanmoins une pièce finie convenable. Du fait que les fibres de PTFE se trouvent dans les feuillets de garniture de la pièce, les feuillets de garniture et leur surface de portée possèdent des caractéristiques de longévité améliorées dues au faible coefficient de frotte- ment que possède la matière PTFE. En outre, du fait que les fibres de PTFE sont tissées avec des fibres de verre elles sont fermement incorporées à l'étoffe résultante. Au surplus, en liant l'étoffe des feuillets de garniture en verre-PTFE à un corps en fibres de verre dans une matrice de résine polymère, on produit une pièce composite dimension- nellement stable qui résiste efficacement à la déformation et conserve sa forme au cours de la fabrication ainsi que dans les conditions extrêmes de température et de charge rencontrées en service. R E V E N D I C A T I O N S 1. Pièce de coussinet composite (10) caractérisée en ce qu'elle comporte: - un feuillet de corps (14) comprenant des fibres capables de se lier; un feuillet de garniture (12) comprenant une étoffe en fibres capables de se lier et en fibres de résine fluoro- carbonée à faible frottement tissées ensemble; le feuillet de garniture ayant une surface intérieure (17) disposée sur au moins un côté du feuillet de corps et liée' à ce côté et une surface extérieure (16) qui constitue une surface de portée à faible frottement; et les feuillets de corps et de garniture étant imprégnés d'une résine durcie et liés ensemble par cette résine. 2. Pièce de coussinet composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que la résine durcie est choisie dans le groupe constitué par les résines époxydes et polyimides. 3. Pièce de coussinet composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres capables de se lier aussi bien du feuillet de corps (14) que du feuillet de coussinet (12) sont des fibres de verre. 4. Pièce de coussinet composite selon la revendication 3, caractérisée en ce que: les fibres de verre du feuillet de garniture (12) s'éten- dent essentiellement dans la direction de la trame et les fibres en résine fluorocarbonée s'étendent dans les directions de la trame et de la chaîne; la surface intérieure (17) du feuillet de garniture étant liée au feuillet de corps (14) au niveau des fibres de verre; et la surface extérieure (16) du feuillet de garniture (12) étant constituée essentiellement par des fibres de résine fluorocarbonée. 5. Pièce de coussinet composite selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un feuillet de garniture (12) du type précité est disposé sur chacun des côtés opposés du feuillet de corps (14). 6. Une pièce d'espacement annulaire composite (10) conçue pour être utilisée entre des surfaces de portée opposées coopérantes, caractérisée en ce qu'elle comporte un feuillet de corps annulaire (14) comprenant des fibres capables de se lier; -Deux feuillets de garniture annulaires (12) comprenant chacun une étoffe de fibres capables de se lier et des fibres de résine fluorocarbonée à faible frottement tissées ensemble; chaque feuillet de garniture ayant une surface intérieure (17) liée à un côté du corps et une surface extérieure (16) qui constitue une surface de portée à faible frottement; et les feuillets de corps et de garniture étant imprégnés d'une résine durcie et liés ensemble par cette résine qui est choisie dans le groupe constitué par les résines époxydes et polyimides. 7. Pièce composite selon l'une quelconque des revendica- tions 5 et 6, caractérisée en ce que la surface intérieure (17) de chaque feuillet de garniture (12) comprend des fibres capables de se lier apparentes liées au feuillet de corps fluoro-carbonée à faible frottement apparentes. 8. Pièce composite selon l'une quelconque des revendica- tion 5 et 6 caractérisée en ce que les fibres capables de se lier de chaque feuillet de garniture (12) sont orientées dans des directions prédéterminées par rapport aux fibres capables de se lier du feuillet du corps (14) pour donner à ladite pièce des caractéristiques de résistance élevée dans des directions préférentielles. 9. Pièce composite selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que: la surface intérieure (17) de chaque feuillet de garniture (12) comprend des fibres capables de se lier apparentes, liées au feuillet de corps (14) la surface extérieure (16) de chaque feuillet de coussinet est constituée essentiellement par des fibres de résine fluorocarbonée à faible frottement apparentes; et les fibres capables de se lier de chaque feuillet de garniture (12) sont orientées dans des directions prédétermi- nées par rapport aux fibres capables de se lier du feuillet de corps (14) pour donner à la pièce des caractéristiques de résistance élevée dans des directions préférentielles. 10. Pièce composite selon la revendication 9, caractéri- lO sée en ce que le feuillet de corps (14) comprend une étoffe tissée dans laquelle les fibres capables de se lier s'étendent à la fois dans la direction de la trame et dans la direction de la chaîne. 11. Pièce composite selon la revendication 9, caractérisée en ce que les fibres de résine fluorocarbonée sont des fibres de polytétrafluoroéthylène (PTFE). 12. Pièce composite selon la revendication 9, caractérisée en ce que les fibres capables de se lier aussi bien du feuillet du corps (14) que des feuillets de garniture (12) sont des fibres de verre. 13. Pièce d'espacement annulaire composite (10) conçue pour être utilisée entre deux surfaces de portée opposées, caractérisée en ce qu'elle comporte un feuillet de corps annulaire (14) en étoffe tissée de fibres de verre comprenant des fibres de verre qui s'éten- dent dans les directions de la trame et de la chaîne; deux feuillets de garniture annulaires (12) comprenant chacune: une étoffe en fibres de verre qui s'étendent essen- tiellement dans la direction de la trame et en fibres de polytétrafluoroéthylène (PTFE) à faible frottement tissées ensemble qui s'étendent dans les directions de la trame et de la chaîne; une surface intérieure (17) comprenant des fibres de verre apparentes liées à un côté du feuillet de corps; et une surface extérieure (16) constituée essen- tiellement par des fibres de polytétrafluoroéthylène (PTFE); et, en ce qu'au moins les fibres de verre de trame et de chaîne 25018 t 1 du feuillet de corps sont orientées à un angle compris entre environ 350 et environ 55 par rapport aux fibres de verre de la surface intérieure de chacun des feuillets de garniture, les fibres de verre des surfaces intérieures d'un feuillet de garniture sont orientées par rapport à celles de la surface intérieure de l'autre feuillet de garniture àun angle compris entre environ 80 et environ 100 et les feuillets de corps et de garniture sont imprégnés d'une résine durcie qui les lie les uns aux autres, cette résine étant choisie dans le groupe constitué par les résines époxydes et polyimides.