Brevet FR2516861A1 — publié le 19830527

La présente invention concerne des procédés de formage superplastique et de liaison par diffusion de structures continues, et plus particulièrement des procédés de jonction de telles structures pouvant comprendre des parties se croisant de manière à éviter des lignes ou des zones de faiblesse. Le procédé de formage superplastique et de liaison par diffusion est bien connu dans la technique Le procédé a l'avantage de permettre la formation de formes complexes et l'étirage profond de parties métalliques Aux températures utilisées, les contraintes de déformation sont relativement faibles, ce qui permet de former des parties complexes sous des pressions qui limitent au minimum la déformation et l'usure des outils. La liaison par diffusion qui est utilisée en conjonction avec le formage superplastique se réfère à la liaison ou à la jonction métallurgique de métal au moyen des étapes consistant à appliquer la chaleur et la pression pendant une période de temps suffisante pour assurer le mélange des atomes de métal aux endroits o les surfaces sont jointes. De façon générale, le procédé commence par le nettoyage des feuilles de métal à utiliser dans des ensembles en face à face ou en sandwich Ensuite, les feuilles sont sélective- ment et judicieusement revêtues d'une matière qu'on appelle "matière d'arrêt" qui est constituée de façon typique par du nitrure de oore, de l'yttria ou certaines terres rares, ou autres matières très inertes La fonction de la "matière d'arrêt" est d'éviter la liaison par diffusion de la matière en sandwich aux endroits o la matière d'arrêt a été appli- quée Les surfaces revêtues de la "matière d'arrêt" peuvent être conformées selon la forme désirée par application d'un gaz sous pression envoyé sur le côté interne du sandwich métallique. Le procédé de formage superplastique et de liaison par diffusion présente ae nombreux avantages de fabrication et de structure par rapport aux procédés de fabrication plus classiques, et il est particulièrement utile pour la forma- tion d'une variété de structures de forme compliquée compre- nant l'étirage profond de parties Dans le domaine de l'industrie aérospatiale, le procédé est utilisé pour former des châssis ou cadres, des cloisonnages et des panneaux de passage d'air Pour la formation de telles structures, on prévoit des éléments de raidissement qui assurent le renfort. Les plus grands de ces éléments de raidissement sont parfois appelés 'cadres" Typiquement, on prévoit un autre élément de raidissement en direction transversale, c'est-à-dire perpendiculairement au cadre, et auquel on se réfère parfois par le nom de "raidisseur" Cependant, quand les raidisseurs et les cadres se coupent, il se crée une surface ou une ligne d'affaiblissement provoquant un affaiblissemnt indési- rable de la structure. On a suggéré diverses solutions à ce problème Par exemple, une solution a consisté à usiner des éléments structurels séparés tels que des traverses ou des éléments angulaires, permettant à l'élément de raidissement formé par formage superplastique de fluer et d'être lié par diffusion aux éléments usinés Cette approche est coûteuse et demande du temps Une autre suggestion concerne le formage de sections structurelles telles que des "chapeaux" formés par formage superplastique au cours d'une opération séparée, puis reliés mécaniquement ou métallurgiquement au panneau de raidissement Cette approche n'est pas considérée comme la meilleure du fait qu'elle implique une opération de formage séparée et une opération de liaison séparée, par exemple par rivetage, soudage par points, brasage ou liaison de types différents. Tenant compte de ce qui précède, un objet de la présente invention est de proposer un procédé de renforcement de l'intersection des éléments de raidissement formés par formage superplastique et liaison par diffusion dans des structures complexes. Un autre objet de l'invention est de créer un procédé nouveau et perfectionné de renforcement d'organes de renfort se croisant et formés par formage superplastique et par liaison par diffusion d'un sandwich métallique. Un autre objet de l'invention est de créer un procédé de formage superplastique et de liaison par diffusion d'une feuille de renfort qui renforce des organes de renfort se croisant au niveau de leurs points de jonction. Un autre objet encore de l'invention est de créer, dans un procédé de formage superplastique et de liaison par diffusion, une bande de renfort disposée sélectivement et revêtue sélectivement d'une matière d'arrêt de manière à renforcer sélectivement les régions o les organes de raidissement se croisent mutuellement. Un autre objet de l'invention est de créer, dans un procédé de formage superplastique et de liaison par diffusion, une étape comprenant l'application de matière d'arrêt selon un certain motif au centre d'une paire de feuilles disposées en sandwich de manière à constituer un organe de renfort dans une région o se croisent des organes de raidissement reliés mutuellement. Un autre objet encore de l'invention est de renforcer une structure en nid d'abeille en revêtant sélectivement au moyen d'une matière d'arrêt une bande de renfort de façon à effectuer une liaison par diffusion sélective de la bande avec les organes de renfort se croisant. Un autre objet encore est de créer, dans un procédé de formage superplastique et de liaison par diffusion, une structure du type en sandwich comprenant une couche de renfort, certaines couches du sandwich étant sélectivement revêtues d'une matière d'arrêt et soumises à une liaison par diffusion sélective, de façon à former des organes de renfort présentant une continuité évitant des régions de faiblesse. D'autres objets et avantages de l'invention sont indiqués dans la description qui suit et ils ressortiront clairement de cette dernière, ces objets et avantages étant obtenus au moyen des éléments, des instruments, des procédés, des appareils et des processus qui sont plus particulièrement indiqués dans les revendications. En bref, l'invention concerne un procédé de formage d'organes de renfort au moyen d'un procédé de formage superplastique et de liaison par diffusion utilisant un sandwich métallique de façon qu'il y ait fluage continu Des parties choisies du sandwich métallique sont liées par diffusion, et d'autres parties sont expansées par formage superplastique de manière à maintenir une continuité du flux de métal Dans certains modes de réalisation, on utilise un organe de renfort On obtient ce résultat en employant un organe de renfort pouvant se présenter sous la forme d'une feuille disposée entre les couches externes du sandwich métallique L'organe de renfort ou les couches externes du sandwich métallique sont revêtues sélectivement de la matière d'arrêt de manière que la plaque de renfort puisse être liée par diffusion et sélectivement aux couches supé- rieure et inférieure et seulement dans les emplacements désirés. Le motif selon lequel la matière d'arrêt est appliquée dépend de la forme finale désirée pour la structure complexe. L'invention permet d'obtenir une grande variété de formes allant d'organes de renfort se croisant et relativement simples à des structures en nid d'abeilles relativement complexes. L'organe de renfort peut être soudé par points à la plaque inférieure, et la plaque supérieure est placée sur la plaque de renfort et alignée avec la feuille inférieure Les feuilles supérieure et inférieure sont alors soudées par un cordon de soudure autour de leur périphérie, de manière à former un ensemble. L'ensemble est alors placé dans un outil de forme désirée et chauffé à environ 9271 C de façon que des régions sélectionnées, c'est-à-dire des régions non revêtues de la matière d'arrêt, soient liées par diffusion en appliquant de l'extérieur du gaz argon sous pression. Une pression interne de gaz argon est alors appliquée à travers un orifice entre les feuilles supérieure et inférieu- re de manière à former des éléments raidisseurs transversaux. Les éléments raidisseurs longitudinaux du cadre sont ensuite formés de la même manière. L'invention peut se présenter sous diverses formes de réalisation. Selon une forme de réalisation de l'invention, on prévoit une feuille supérieure, une bande de renfort et une feuille inférieure La surface supérieure de la couche inférieure ou la surface inférieure de la feuille de renfort est revêtue de la matière d'arrêt transversalement a la feuille et perpendiculairement à l'axe longitudinal en deux emplacements o l'on souhaite former des organes de renfort ou raidisseurs. L'organe de renfort de ce mode de réalisation consiste en une plaque de raidissement à orifice dont la longueur est approximativement égale à la longueur des feuilles supérieure et inférieure et dont la largeur est relativement étroite. La surface supérieure de la plaque de renfort ou la face inférieure de la couche supérieure est revêtue de la matière d'arrêt le long de l'axe longitudinal de manière que les parties étroites formant les rebords latéraux ne soient pas revêtues. Dans ce mode de réalisation et dans l'ensemble final, la plaque de renfort est liée par diffusion aux feuilles supérieure et inférieure le long des rebords et aux raidis- seurs de manière à assurer la continuité de la structure. Un autre mode de réalisation de l'invention utilise une feuille de renfort ayant approximativement la même dimension que les couches supérieure et inférieure La couche de renfort est revêtue sur sa surface supérieure de la matière d'arrêt le long de l'axe La surface inférieure de la feuille est revêtue dans une direction perpendiculaire au revêtement d'arrêt appliqué sur la surface supérieure de la feuille. Les plages de la matière d'arrêt se chevauchent un peu. Une construction en sandwich est alors formée et soumise ensuite au procédé de liaison par diffusion et de formage superplastique, comme décrit ci-dessus. Selon un autre mode de réalisation, la feuille supérieure est revêtue de façon sélective de la matière d'arrêt sur sa surface inférieure à partir du centre de chaque côté et vers l'intérieur, de manière qu'on obtienne une partie de forme rectangulaire non revêtue au centre, et comprenant des branches non revêtues s'étendant de l'extérieur en direction des coins de la feuille supérieure. La feuille inférieure de ce mode de réalisation est revêtue sur sa surface supérieure de la matière d'arrêt, dans sa partie centrale et selon une forme rectangulaire La construction en sandwich est alors liée par diffusion et formée superplastiquement L'utilisation sélective de la matière d'arrêt est suivie par une liaison par diffusion et un formage superplastique permettant d'obtenir une grande variété de structures complexes, y compris une structure en nid d'abeilles et analogues. Selon un autre mode de réalisation encore, les couches sont revêtues de la matière d'arrêt de manière à obtenir une forme en croix ou une forme en nid d'abeilles D'autres formes complexes peuvent être également réalisées par appplication sélective de la matière d'arrêt de manière à obtenir un flux continu du métal. L'invention comprend les parties, étapes, constructions et perfectionnements qui sont représentés et décrits. Les dessins annexés qui sont incorporés à cette descrip- tion et dont ils font partie, représentent un mode de réalisation de l'invention, et servent, avec la description, à expliquer les principes de l'invention. La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une forme de l'invention. La figure 2 est une vue représentant le sandwich consti- tué par des feuilles métalliques à l'état assemblé. Les figures 3 A, B et C représentent les étapes de formage utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention. La figure 4 est une vue en perspective de la forme d'une unité structurelle formée selon l'invention. La figure 5 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, représentant l'invention. La figure 6 est une vue en perspective représentant un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 7 est une vue en perspective d'une autre forme de l'article structurel réalisé au moyen du présent mode de réalisation de l'invention. La figure 8 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 9 est une vue en perspective d'une autre forme d'une unité structurelle constituée au moyen du présent mode de réalisation de l'invention. La figure 10 représente une autre forme encore de l'invention. La figure 11 représente une unité structurelle à laquelle est appliqué le motif formé par la matière d'arrêt et représenté à la figure 10. La figure 12 illustre une autre forme de réalisation de la présente invention. La figure 13 représente une unité structurelle obtenue avec le motif de la matière d'arrêt représenté à la figure 12. On se référe maintenant au mode de réalisation de l'invention illustré aux figures 1 à 5 Comme représenté, on prévoit une feuille ou couche supérieure 2 et une feuille ou couche inférieure 4, qui sont toutes les deux réalisées de préférence en titane ou en alliage de titane susceptible d'être soumis à un formage superplastique et à une liaison par diffusion. Dans ce mode de réalisation, l'ensemble structurel est renforcé par des éléments de raidissement s'étendant longi- tudinalement et transversalement par rapport à l'élément structurel. Selon l'invention, des moyens sont prévus pour éviter la discontinuité du flux de métal à l'intersection des organes de renfort et pour constituer un renfort pour l'élément structurel. Ces moyens comprennent une plaque de raidissement ou de renfort 10 réalisée en titane ou en alliage de titane, susceptible d'être formée superplastiquement et d'être liée par diffusion, et qui est disposée au centre entre les couches supérieure et inférieure 2 et 4 La plaque de raidissement et/ou la plaque supérieure ou inférieure est revêtue sélectivement d'une matière d'arrêt de manière à assurer la continuité du flux de métal moulé et éviter la formation de régions de faiblesse à l'intersection des organes de renfort. Comme représenté, la surface inférieure de la couche supérieure peut être revêtue de matière d'arrêt le long de l'axe 6 En variante, la matière d'arrêt peut être appliquée le long de l'axe longitudinal de la surface supérieure de la plaque de renfort 10 De même, la surface supérieure de la plaque inférieure peut être revêtue transversalement de la matière d'arrêt, comme représenté en 8, ou bien la surface inférieure de la plaque de renfort peut être revêtue trans- versalement, comme représenté en 14 Ainsi,il est possible de former ensuite un cadre longitudinal et un raidisseur transversal. La plaque de renfort 10 est centrée entre les couches supérieure 2 et inférieure 4 et un ensemble est constitué sous forme d'un élément en soudant par un cordon de soudure les couches de métal supérieure et inférieure le long de leur périphérie, comme représenté à la figure 2. L'ensemble est alors placé entre une matrice supérieure et une matrice inférieure qui sont constituées et disposées de manière à former des éléments de raidissement longitudi- naux 16 et transversaux 18, indiqués par les expressions de cadres et de raidisseurs, qui sont représentés à la figure 4. On obtient ce résultat comme suit. Comme montré à la figure 3 A, du gaz argon sous pression parvient par une conduite 5 dans les matrices supérieure 7 et inférieure 9 de manière à provoquer la liaison par diffu- sion des régions se trouvant face à face et o aucune matière d'arrêt n'a été applimuée. Ensuite et comme représenté à la figure 3 B, le gaz argon est dirigé entre les couches supérieure et inférieure du sandwich et entre les matrices 7 et 9, dans des conditions lui permettant de dilater le sandwich et de former les organes raidisseurs de renfort 18 A la figure 3 C, le gaz argon est à nouveau envoyé entre les couches du sandwich pour former le cadre raidisseur 16 Les figures 4 et 5 représentent la structure finale o le cadre 16 et les raidisseurs 18 sont mutuellement perpendiculaires. Comme illustré aux figures 4 et 5, les organes de renfort 16, 18 sont reliés aux points d'intersection par les organes de renfort 10 de manière à éviter des régions ou des endroits de faiblesse Comme on le voit bien à la figure 5, le motif formé par la matière d'arrêt a été appliqué sélec- tivement de manière que la feuille ou l'organe de renfort soit relié sélectivement au cadre 16 et aux raidisseurs 18. La figure 5 représente les parties de rebord longitudinaux , 22 prises en sandwich et reliées à la feuille supérieure 2 et à la feuille inférieure 4 de manière que des parties de rebord 20, 22 relient un côté de la structure à l'autre de façon à obtenir une feuille de métal continue et sans interruption qui permet d'obtenir une résistance accrue au cisaillement. Le mode de réalisation représenté aux figures 6-7 concerne une construction o les raidisseurs qui s'étendent transversalement parviennent jusqu'au cadre longitudinal, mais non au-delà ou sur toute la distance par le travers de l'unité structurelle. Si on se réfère à la figure 6, on peut voir que l'on prévoit une feuille supérieure 2 et une feuille inférieure 4 ainsi qu'une feuille de renfort 24 ayant approximativement les mêmes dimensions que la feuille supérieure et la feuille inférieure Selon cette forme de l'invention, les surfaces supérieure et inférieure de la feuille de renfort sont revêtues sélectivement de la matière d'arrêt de manière à éviter une faiblesse à la jonction entre les organes de renfort. Comme montré aux figures 6 et 7, la surface supérieure de la feuille de renfort est revêtue sur une plage 26 qui suit l'axe de la feuille La plage sur laquelle est appli- quée la matière d'arrêt provoque la formation d'un raidisseur de renfort 28 (figure 7) s'étendant partiellement le long de l'unité structurelle terminée et formé à partir de la feuille supérieure La surface inférieure de la feuille de renfort est revêtue de la matière d'arrêt 30 transversale- ment à la partie supérieure 26 recouverte du matériau d'arrêt de manière à former un cadre de renfort 32 à partir de la feuille de renfort et de la feuille supérieure pour produire ainsi un ensemble final dont la surface est continue à la jonction entre les organes de renfort. La figure 7 représente le motif formé par la matière d'arrêt avant et après les étapes de formage superplastique et de liaison par diffusion Comme on peut le voir, A 1, A, Bl et B montrent le mouvement effectué par le métal avant et après la liaison par diffusion et illustrent le flux continu de métal Ainsi, A 1 et B 1 montrent la position d'origine après application de la matière d'arrêt, et A et B montrent les positions respectives de ces points après formage superplastique et liaison par diffusion. Un autre mode de réalisation de l'invention est illustré aux figures 8-9 Dans ce mode de réalisation, l'effet de renfort et de flux continu de métal est réalisé par l'utili- sation sélective de la matière d'arrêt sur la feuille supérieure et la feuille inférieure, éliminant ainsi la nécessité d'une feuille de renfort. Dans ce mode de réalisation, la surface inférieure de la couche ou feuille supérieure est revêtue de la matière d'arrêt, comme suit On prévoit quatre plages tronquées 36, 38, 40 et 42 de la matière d'arrêt s'étendant du centre des rebords latéraux 44, 46, 48, 50, en direction du centre de la feuille, mais ne parvenant pas complètement jusqu'à celui-ci Ces plages de la matière d'arrêt s'arrêtent avant d'atteindre le centre de la feuille et avant d'entrer en contact avec la plage adjacente, ces plages étant de ce fait tronquées Il reste une partie non recouverte comprenant une partie centrale sensiblement rectangulaire comportant des branches 50 qui sont également non revêtues et qui s'étendent en direction des coins de la feuille supérieure et entre les extrémités des quatre plages. La surface supérieure de la feuille inférieure est revêtue de la matière d'arrêt dans la partie centrale 52, dont les coins C, D, E et F correspondent aux points C, D, E et F de la partie de gauche de la figure 8. L'ensemble final, après liaison par diffusion et formage superplastique, est représenté à la figure 9 Comme on peut le voir, des organes de renfort 54, 56 qui se coupent sont formés à partir de la feuille supérieure. La partie centrale est constituée de manière qu'une pyramide tronquée 58 soit formée à l'intérieur, qui détermine une surface continue même aux points de jonction des organes de renfort, du fait de l'utilisation sélective de la matière d'arrêt. Les figures 10-11 illustrent un autre mode de réalisa- tion de la présente invention Comme représenté à la figure 10, le motif formé par la matière d'arrêt est constitué par quatre plages rectangulaires 60 s'étendant vers l'intérieur à partir des rebords et en direction du centre de la partie inférieure Les quatre motifs formés par la matière d'arrêt sont interrompus en 62 et il est prévu une plage centrale rectangulaire 66 de la matière d'arrêt qui constitue une intersection cruciforme. Lorsque les étapes de liaison par diffusion et de formage superplastique sont terminées, on obtient un motif cruciforme tel qu'illustré à la figure 11, comprenant des organes de renfort en croix 65 et un organe central 67. Les figures 12-13 montrent la manière selon laquelle est formée une structure en nid d'abeilles Comme représenté, la feuille inférieure est munie d'un grand nombre de parties sensiblement rectangulaires 70 de matière d'arrêt Sur le bord des parties rectangulaires 70 sont constituées des plages 72 qui ne sont pas revêtues Ces plages sont inter- rompues par la matière d'arrêt, comme indiqué en 74. La figure 13 montre la structure en nid d'abeilles formée au moyen du motif de la matière d'arrêt illustré à la figure 12, avec des parois latérales 76, supérieures 78 et inférieures 80, de double épaisseur, qui terminent la structure en nid d'abeilles. REVENDICATIONS 1 Procédé de formage d'une unité structurelle utilisant le formage superplastique et la liaison par diffusion, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) la sélection d'au moins deux couches d'une matière apte à la liaison par diffusion et au formage superplastique, (b) le revêtement sélectif au moyen de matière d'arrêt d'au moins une des surfaces desdites couches qui sont face à face de manière que ces surfaces revêtues de matière d'arrêt puissent former des organes de renfort soulevés dans des emplacements prédéterminés, - (c) l'application sélective de matière d'arrêt pour former un revêtement sur au moins l'une des surfaces de manière à éviter la formation de zones de faiblesse adjacen- tes aux organes de renfort soulevés, (d) la formation d'une construction en sandwich desdites couches, et (e) la soumission de ladite construction en sandwich aux étapes de liaison par diffusion et de formage superplastique de manière à former une structure complexe comprenant des parties liées par diffusion et des organes de renfort soulevés. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) la sélection d'une plaque de renfort, en une matière capable d'une liaison par diffusion et d'un formage super- plastique, (b) le revêtement sélectif de ladite plaque renforcée pour compléter le revêtements de la matière d'arrêt desdites couches, (c) la mise en place de ladite feuille de renfort entre des couches avant les étapes de liaison par diffusion et de formage superplastique. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend: la sélection d'une feuille de renfort dont la longueur est la même que celle desdites couches, mais qui est relati- vement plus étroite. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend: le revêtement des couches situées face à face et de leur organe de renfort de manière à permettre la formation d'organes de support longitudinaux et transversaux s'étendant sur la longueur et la largeur de l'unité structurelle. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend: l'application de matière d'arrêt de manière à constituer des organes de renfort se coupant, l'un desdits organes de renfort ne s'étendant pas entièrement au travers de la couche. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: l'application de matière d'arrêt sur les couches supé- rieure et inférieure de manière à former des organes de renfort longitudinaux et transversaux se croisant, avec une pyramide tronquée à la jonction entre les organes de renfort. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: le revêtement sélectif des couches supérieure et infé- rieure de manière à former des organes de renfort se croisant, avec une forme en croix à la jonction des organes de renfort. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: le revêtement sélectif de la couche supérieure et de la couche inférieure de manière à former une structure en nid d'abeilles après l'étape de liaison par diffusion et de formage superwlastique. 9 Procédé de formage d'une unité structurelle renforcée en utilisant le formage superplastique et la liaison par diffusion, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) la sélection d'au moins deux couches de métal capables d'être liées par diffusion et formées superplastique ment, (b) le revêtement sélectif de matière d'arrêt d'au moins l'une des surfaces en face à face desdites couches en vue de former des organes de renfort soulevés sans régions de faiblesse adjacentes auxdits organes de renfort soulevés, (c> le formage d'une construction en sandwich au moyen desdites couches, et (d) la soumission de ladite construction en sandwich aux étapes de liaison par diffusion et de formage superplastique en vue de former une unité structurelle complexe.