Brevet FR2508381A1 — publié le 19821231

Procédé de fabrication de tubes composites à matrice métallique renforcée par des fibres. L'invention a pour objet un procédé de fabrication de tubes de grande longueur, formés d'une matrice métallique renforcée par des fibres. Il est connu d'obtenir de tels tubes en bobinant autour d'un moule métallique cylindrique de largeur et de diametre approprié, une feuille monocouche composite formée d'une matrice métallique renforcée par des fibres, a insérer le moule, recto vert de la feuille monocouche, dans un autre moule métallique de maniere a obtenir un systeme sandwich puis a rendre étanche le systeme, a faire le vide a l'interieur, et a la soumettre sous pression a un cycle de cuisson de maniere a compacter les différentes couches formées par le panneau monocouche bobiné. On procede ensuite au démoulage pour obtenir le tube composite fini. Ce procédé est décrit dans le brevet US 3,788,926. A cause, toutefois, des moules en acier utilisés dans ce procédé, il est difficile de mettre en oeuvre ce procédé lorsque les fibres de renforcement sont a base de fibres de bore revêtues de carbure de bore. En effet, dans ce cas il serait nécessaire de monter a des pressions tres élevées ce qui nécessite des appareillages beaucoup plus couteux. En outre, le démoulage devant être fait par voie chimique, ne permet pas la réutilisation des moules métalliques et présente de plus des risques de pollution du matériau fini. L'invention a pour objet de procurer les avantages suivants - démoulage mécanique - réutilisation du moule métallique extérieur - obtention de tubes composites à partir de panneaux monocouches formés d'une matrice métallique renforcée par des fibres de bore recouvertes de carbure de bore. Selon l'invention, le procédé de fabrication de tubes composites est du type consistant à insérer au moins deux couches bobinées, de panneaux monocouches entre deux moules métalliques cylindriques, à rendre étanche le systeme formé, à faire le vide à l'intérieur, au moyen d'un ou plusieurs orifices pratiqués dans le moule externe, et à soumettre l'ensemble à un cycle de cuisson sous pression puis à refroidir et à démouler, le procédé étant caractérisé en ce que les couches de panneaux monocouches sont bobinées de manière à ce que les fibres forment au maximum un angle de 150 par rapport à l'axe du moule, en ce que le moule métallique interne est une membrane déformable, recouverte d'une couche antidiffusion telle que du graphite, possédant un coefficient de dilatation thermique supérieur ou égal à 18.10 -6 cm/ cm C, en ce que le moule métallique externe est fait d'un métal ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 12.10 6 6 cm / cm C et en ce que le système est soumis, à une pression comprise entre 1 et 50 atmosphères, à un cycle de cuisson compris dans les limites de la zone de transition pateuse de la matrice métallique. Dans la description qui suit on appellera "système" l'ensemble formé par les couches de panneaux monocouches insérées dans les moules interne et externe. Le bobinage et l'insertion du panneau monocouche entre les moules métalliques peuvent être effectués indifféremment de plusieurs façons mise à part le fait que certaines se révèlent plus aisées à mettre en oeuvre que d'autres. Ainsi, on peut enrouler le panneau monocouche autour de la membrane métallique déformable préalablement revêtue d'une barrière anti diffusion jouant également le rôle de démoulant qui peut être une solution de graphite et/ou une feuille souple de même nature. La présence de cette barrière antidiffusion est indispensable afin qu'il ne se forme pas un alliage entre la membrane métallique et la matrice métallique. On insère ensuite le tout contre un tube métallique de préférence en acier, d'un diametre adapté, lui-même revêtu avantageusement d'un démoulant de même nature. Le panneau monocouche est formé d'une feuille support métallique revêtue de fibres, sur une ou sur les deux faces, maintenues en place par un liant métallique projeté sous forme de poudre au chalumeau a plasma d'arc. On appelle matrice metallique l'ensemble formé par le liant et la feuille support. Un exemple d'obtention de ces panneaux est décrit dans le brevet français n0 2 337 040. L'application de l'invention ne provoque aucune limitation quant a la nature de la feuille support et du liant formant la matrice métallique pourvu qu'ils répondent aux éxigences mentionnées ci-dessus. La feuille support peut être de nature identique ou différente a celle du liant. Parmi les métaux et alliages répondant à ces exigences, on peut citer les alliages légers à base d'aluminium, comportant des quantités plus ou moins importantes d'autres éléments (magnésium, silicium, fer, cuivre, titane, etc...) et tous les alliages destinés à des usages équivalents (à base de titane notamment). On utilisera avantageusement une feuille support et un liant d'alliages différents# qui lors de la cuisson constitueront un alliage présentant les exigences mentionnées ci-dessus. De préférence la largeur de la zone de transition pateuse sera d'au moins 200 C et avantageusement comprise entre 40 et 800 C. Parmi ces alliages on peut citer particulierement ceux à base d'aluminium et notamment ceux qui lors de la cuisson donnent un alliage d'aluminium choisis parmi les alliages suivants 6061, 2014, 2017, 2024 comme combinaisons d'alliages qui lors de la cuisson permettent d'obtenir les alliages mentionnés ci-dessus on peut citer les alliages aluminium A S 13 et A 5. L'homme de métier peut parmi les alliages connus choisir de nombreux alliages qui conviennent. Les fibres utilisables dans le cadre de l'invention sont bien connues de l'homme de l'art. On peut citer notamment les fibres de bore revêtues de carbure de silicium, les fibres de carbure de silicium et surtout les fibres de bore revêtues de carbure de bore décrites, par exemple, dans le brevet français n0 2 136 978 du déposant. Ce procédé procure, en effet, un avantage considérable en ce qui concerne le compactage des panneaux monocouches comportant de telles fibres. Comme métal convenant pour le moule extérieur on peut citer l'acier mais d'autres métaux peuvent également convenir. La membrane métallique déformable de l'invention peut être en aluminium mais également en tout autre métal répondant aux exigences nécessaires pour mettre en oeuvre le procédé par exemple le cuivre. C'est à dire comme cela est compréhensible qu'elle doit rester à l'état solide à la température de compactage. Pour une membrane en aluminium A 5 ou A 47, la température de compactage est comprise entre 500 et 6200 C. Pour une membrane en cuivre la température est comprise entre 500 et 7000 C. Dans un mode préféré d'exécution de l'invention la membrane métallique possède un coefficient de dilatation compris entre 20.10 6cl/ cm C et 23-10-6cm/cmoC. Le système est rendu étanche par fixation aux extrémités de bouchons écrasant la membrane contre le moule externe. Selon la longueur du tube, un ou plusieurs orifices sont prévues dans dans le moule externe de maniere à obtenir le vide le plus homogène possible. Plusieurs moyens permettant de chauffer et d'exercer la pression sur le système peuvent être utilisés. On utilisera avantageusement un four tubulaire multizone introduit dans un autoclave à paroi froide, ce qui supprime les problèmes posés par la tenue en pression d'une enceinte chauffée à 500 - 6oxo0 C. Le chauffage progressif par palier des différentes zones du tube permet de limiter les risques d'obstruction du vide par l'aluminium pateux. Selon ce procédé préféré, les zones les plus éloignées des orifices sont au départ d'avantage chauffées que les zones les plus proches. Ensuite ce sont les zones proches dea orifices qui sont d'avantages chauffées. Soulignons que le chauffage progressif par four multizone peut être remplacé par un chauffage haute fréquence avec un inducteur mobile le long du moule en acier. Cette méthode conduit à une productivité accrue. Ainsi au cours de la mise en pression et en température la membrane déformable est plaquée contre le composite sous forme de monocouches et permet son compactage progressif en partant des zones les plus éloignées pour aller vers les zones les plus proches de ou des orifices. La pression et la température auxquelles le système est soumis sont fonctions des alliages constitutifs de la monocouche. Pour un alliage 6061, la température de cuisson sera comprise entre 580 et 6000. Après refroidissement, on procède au démoulage du tube. Ce démoulage peut être effectué de la manière suivante - on introduit à l'intérieur du moule, un tube ou une tige en acier d'un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne de l'ensemble (-2mm environ). Cette tige est centrée par les deux bouchons. Par l'intermédiaire de (ou des) prises de vide, on introduit un fluide sous pression, - huile hydraulique par exemple-qui permet de décoller la membrane. Le tube composite est extrait du moule par le jeu de la diffé rence de dilatation thermique entre le moule en acier et le composite en bore-aluminium. Les produits obtenus sont notamment utiles en aéronautique (commandes de vol). L'exemple qui suit est réalisé à l'aide du dispositif décrit ciaprès, en regard des figures annexées - la figure 1 est une vue shématique du dispositif - la figure 2 est une vue en coupe grossie des différentes couches qui constituent le système ainsi que du moyen qui assure l'étan- chéité. Le moule extérieur (1), muni d'une prise de vide (2),est constitué d'un tube en acier de diamètre intérieur 32 mm et d'épaisseur 6mm. On projette une couche de graphoil (fourni par la société GRAPHOIL) à l'intérieur de ce tube, puis l'ensemble est porté à 1000 C pendant une heure, de manière à polymériser le revêtement protecteur. Au niveau de la prise de vide, on introduit dans ltespace annulaire, un grillage en acier inoxydable, pour permettre une bonne application du vide après écrasement de la membrane. la longueur du moule en acier est de 680 mm, celle de la membrane est de 700 mm. La membrane (3) est constituée d'un tube en aluminium A5, de diamètre extérieur 25 mm et d'épaisseur lmm. Autour de la membrane (3) préalablement revêtue de graphoil, on bobine 3 couches (4) d'un panneau monocouche, avec les fibres alignées le long de l'axe du tube. Cette monocouche est constituée d'un clinquant en alliage à base d'aluminium A S 13 et de fibres B/B4C de 140 m de diamètre, maintenues en place avec de l'aluminium AS projeté au chalumeau à plasma d'arc. Les extrémités du tube en aluminium sont alors formées sous forme de collets, puis les bouchons (5), préalablement graphités sont serrés sur le moule. L'ensemble est introduit dans un four (6) de diamètre intérieur 60 mm et de longueur 600 mm avec trois zones de chauffage (a), (b), (c) entouré d'une isolation thermique (7). Le montage est placé dans un autoclave (8) à parois refroidies qui permet l'application de la pression par l'entrée (9). Le vide est effectué dans le système. La température des trois zones est augmentée progressivement jusqu'à 5600 C en 30 mn environ. On monte la pression à 20 bars dans l'autoclave et la température de la zone (c), la plus éloignée de la prise de vide, à 5800 C. On maintient ces conditions pendant 20 mm. On diminue alors le chauffage de la zone éloignée de la prise de vide jusqu'à 5600 C. On augmente le chauffage de la zone (b) jusqu'à 5800 C et on maintient ces conditions pendant vingt minutes puis on diminue le chauffage de la zone (b) jusqu'à 5600 C. On opère de même avec la zone (a). On coupe alors le chauffage. La pression est diminuée quand la température du moule est en dessous de 2000 C. Puis on procède au démoulage. Pour ce faire, on introduit un tube en acier de diamètre extérieur 26 mm dans le moule en acier. On introduit alors de l'huile sous pression - 20 bars - entre la membrane de moulage, le tube composite et le tube en acier par l'intermédiaire de la prise de vide. Après décollement de la membrane, on enlève les deux bouchons et le tube interne après sectionnement des extrémités. Puis on extrait le tube composite en le poussant à l'extérieur du moule avec un tube de même diamètre extérieur. Les propriétés de ce tube composite sont les suivantes - résistance en traction 120 bars - résistance en compression 300 hbars - module : 17 000 hb - pourcentage de fibre en volume : 54 %. Revendications 1) Procédé de fabrication de tubes composites, du type consistant à insérer au moins deux couches bobinées de panneaux monocouches entre deux moules métalliques cylindriques, à rendre étanche le système formé, à faire le vide à l'intérieur, au moyen d'un ou plusieurs orifices pratiqués dans le moule externe, et à soumettre ltensemble à un cycle de cuisson sous pression puis à refroidir et à démouler, le procédé étant caractérisé en ce que les couches de panneaux monocouches sont bobinées de manière à ce que les fibres forment au maximum un angle de 150 par rapport à l'axe du moule, en ce que le moule métallique interne est une membrane déformable, recouverte d'une barrière antidiffusion telle que du graphite, possédant un coefficient de dilatation thermique supérieur ou égal à 18-10 6 cmjcm"C, en ce que le moule métallique externe est fait d'un métal ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 12.10 6 cm/cm C et en ce que le système est soumis, à une pression comprise entre 1 et 50 atmosphère, à un cycle de cuisson compris dans les limites de la zone de transition pateuse de la matrice métallique. 2) Procédé de fabrication de tubes composites selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille support et le liant de la matrice métallique sont formés d'alliages différents qui lors de la cuisson constituent un alliage ayant une largeur de zone de transition pateuse supérieure à 200C et de préférence comprise entre 40 et 800C. 3) Procédé de fabrication de tubes composites selon la revendication 2 caractérisé en ce que la feuille support et le liant sont à base d'alliage d'aluminium. 4) Procédé de fabrication de tubes composites selon la revendication 3 caractérisé en ce que la feuille support et le liant forment lors de la cuisson un alliage d'aluminium choisi parmi les alliages suivants : 6061, 2014, 2017, 2024. 5) Procédé de fabrication de tubes composites selon la revendica tion 4 caractérisé en ce que la feuille support est à base d'aluminium A S 13 et le liant à base d'aluminium A 5. 6) Procédé de fabrication de tubes composites selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les fibres sont des fibres de bore revêtues de carbure de bore ou de carbure de silicium, des fibres de carbure de silicium. 7) Procédé de fabrication de tubes composites selon l'une des revendication 1 à 6 caractérisé en ce que le coefficient de la dilatation thermique de la membrane déformable est compris entre 20 et 23.106 cm/cm C. 8) Procédé de fabrication de tubes composites selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen pour exercer la pression est différent de celui assurant la cuisson. 9) Procédé de fabrication de tubes composites selon la revendication 8 caractérisé en ce que le moyen pour exercer la pression est un autoclave et le moyen pour assurer la cuisson est un four multizone 10) Procédé de fabrication de tubes composites selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'on effuctue le cycle de cuisson dfr la manière suivante a) on chauffe de manière décroissante par palier en partant des zones les plus éloignées des orifices, le nombre de paliers étant fonction de la largeur du tube, b) la cycle de cuisson est ensuite inversé.