Brevet FR2522647A1 — publié le 19830909

La présente invention concerne des pièces composi- tes màtaltatéramiques destinées à être utilisées, par exemple, dans des turbines à gaz. On a reconnu depuis longtemps que les pièces en céramique, par exemple les aubes à profil aérodynamique et les rotors des turbines à gaz, résistent mieux aux tem- pératures élevées que les superalliages actuels Le pro- blème, lorsqu'on utilise des céramiques, est toutefois leur fragilité, qui, combinée à leur faible coefficient de dilatation thermique, peut conduite à leur défaillance si elles sont reliées directement à la structure métalli- que de la turbine. Les tentatives déjà faites pour résoudre ce problè- me ont visé surtout à conférer une élasticité au support entre le métal et la céramique, mais l'usage de ces maté- riaux n'est encore pas répandu dans les turbines à gaz. L'invention a donc pour objet de fournir une pièce composite métallocéramique qui ne présente pas les incon- vénients précités. A cet effet, la pièce composite selon l'invention comprend un corps principal en céramique ou composite sans métal, destiné à supporter la charge, auquel est reliée une partie métallique apte à être reliée ellemême à une autre structure métallique, la liaison étant obtenue en comprimant isostatiquement à chaud un métal pulvérulent sur au moins une zone choisie du corps de céramique ou composite. Sous un autre aspect, l'invention concerne un pro- cédé de fabrication d'une pièce composite métallocéramique, 3 o qui consiste à fabriquer un corps principal en céramique, destiné à supporter la charge, à entourer d'une poudre mé- tallique les surfaces exposées de ce corps, a compacter cette poudre sur le corps de céramique par pression iso- statique à chaud, puis à enlever le métal de zones choi- sies de ceroorps. Le matériau composite sans métal qui peut être u- tilisé comme variante au lieu d'une céramique pure peut ê- tre un matériau composite carbone dans carbone ou un maté- riau composite verre/céramique à haute température. L'enlèvement du métal peut s'effectuer suivant n' importe quel procédé approprié, par exemple par attaque chimique, usinage électrochimique ou usinage mécanique. Comme exemples de pièces composites métallocérami- ques fabriquées selon l'invention on peut citer des aubes et des disques de rotors et des tubes-foyers de turbines à gaz. On peut utiliser diverses combinaisons métallocéra- miques, un exemple d'une telle combinaison étant celle du nitrure de silicium avec un des superalliages à base de nickel traditionnellement utilisés dans ce type de pièces. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs pièces composites: Fig 1 est une vue en coupe représentant un disque de rotor en céramique entouré d'un métal pulvérulent dans un environnement isostatique chaud, selon la présente in- vention; Fig 2 est une vue en coupe montrant le disque de fig 1, après usinage sélectif du renforcement métallique; Fig 3 est une vue en coupe montrant un tube-foyer en céramique avec un renforcement métallique sélectif, ré- alisé selon l'invention; Fig 4 montre une aube à profil aérodynamique com- posite fabriquée selon l'invention. Comme le montre la figure 1, un disque de rotor de turbine à gaz comporte un corps principal 1, destiné à supporter la charge et fait d'un matériau céramique Ce corps 1 est muni d'un alésage central 2 La région du dis- que désignée par la référence 3, qui entoure cet alésage 2, présente un profil évasé pour produire un effet de queue d'aronde Des trous 4 sont prévus à intervalles dans le sens périphérique du disque et peuvent être rem- plis de métal, lequel sera ensuite foré pour réaliser les trous de boulons. On place le disque dans une "boîte" 5, qu'on rem- plit de poudre 6 d'un superalliage approprié en veillant à ce que les trous 4 et l'alésage 2 soient bien remplis de cette poudre Pour positionner et soutenir le ccrp-s de céramique 1 pendant le reste du processus de fabrication, des parties au moins de la poudre métallique peuvent être amenées par une compression préalable à un état intermé- diaire, dans lequel elles ont une résistance intermédiai- re. La "boîte" 5 peut être en verre, en céramique ou en métal et elle est fermée par un couvercle hermétique. On fait le vide dans la boîte et, après en avoir assuré l'étanchéité, on la place dans un environnement isostati- que chaud, dans un récipient fermé 7, à des températures supérieures à 8000 C, sous des pressions pouvant atteindre 379 250 Pa et le métal pulvérulent est compacté et lié à la céramique. Lorsqu'il est retiré de la'boite", le corps de cé- ramique est entièrement recouvert d'une peau métallique, y compris l'alésage 2 et les trous 4. On enlève ensuite le métal superflu pour ne lais- ser le renforcement métallique qu'aux endroits nécessai- res, afin que des liaisons métal à métal puissent être réalisées avec la structure métallique adjacente avec la- quelle le disque doit être assemblé. Il va de soi que, comme variante, on peut ne com- pacter la poudre que sur des zones choisies du corps au lieu de l'entourer entièrement de métal dont une partie est superflue. Comme on peut le voir à la figure 2, les trous 4 peuvent être forés de façon à recevoir des boulons norma- lisés, qui assurent la fixation sur la bride d'entretoi- ses représentées en trait discontinu, reliant le disque à un disque adjacent De même, le disque peut être monté directement par son alésage 2, dont la paroi est revêtue de métal, sur l'arbre qui l'entraîne en rotation. En donnant une forme convenable à la "boite" dans laquelle la compression isostatique à chaud est effectuée, on peut établir les formes des brides de métal sur l'ex- térieur du disque. La même technique peut être utilisée pour munir des pièces en céramique de renforcements métalliques. La figure 3 montre un tube-foyer 10 fabriqué suivant le même procédé, en enfermant tout d'abord l'article de cé- ramique complet dans de la poudre métallique, puis en com- pactant celle-ci par pression isostatique à chaud, et en enlevant enfin le métal superflu pour laisser un squelette de nervures supports 11, 12. La figure 4 montre une aube à profil aérodynamique, comportant une partie profilée 15 en céramique et un pied composite métallocéramique Cette aube est fabriquée en enrobant un noyau de céramique préformé avec une poudre métallique, en compactant le métal sur la céramique par pression isostatique à chaud, de la manière décrite en re- lation avec la fabrication du disque, puis en enlevant par usinage le métal superflu des faces à profil aérodynamique de l'aube. Les combinaisons de matériaux choisies dépendent de l'article et de l'environnement dans lequel il doit travailler Par exemple, la partie en céramique peut être faite avec du nitrure de silicium, tandis que le métal pul- vérulent peut être un des superalliages à base de nickel actuellement utilisés, par exemple celui vendu sous la dé- nomination commerciale IN 100 par l'International Nickel Company. Lorsque l'invention s'applique à un tube-foyer, il est important de réaliser une bonne liaison entre le métal et la céramique, les parties en céramique et celles en mé- tal étant verrouillées mécaniquement les unes avec les au- tres. Un des avantages du procédé de fabrication qui vient d'être décrit est que le métal et la céramique sont compactés à une température élevée, qui est proche de la température de service de l'article fabriqué Les coeffi- cients de dilatation des deux éléments constitutifs sont donc adaptés l'un à l'autre à cette température, en ser- vice, lorsque l'article est fortement sollicité Les coefficients de dilatation ne sont mal assortis que lors- que l'article a refroidi, à l'arrêt, lorsqu'aucune solli- citation extérieure ne vient s'ajouter aux contraintes in- troduites par cette différence de dilatation. Comme matériaux qui peuvent être utilisés à la pla- ce des céramiques pures, on peut citer les composites verre/céramique à haute température, comme la cordiérite mélangée à de la céramique ou les composites carbone dans carbone. REVENDICATIONS - 1. Pièce composite métallocéramique, comprenant un corps principal en céramique ou composite sans métal, destiné à supporter la charge, auquel est reliée une par- tie métallique apte à être reliée elle-même à une autre structure de métal, caractérisée en ce que la liaison en- tre ce corps et cette partie est obtenue en comprimant isostatiquement à chaud un métal pulvérulent ( 6) sur au moins une zone choisie du corps de céramique ou composite ( 1). 2. Pièce en ce qu'elle est 3. Pièce en ce qu'elle est 4 Pièce en ce qu'elle est 5. Pièce tions précédentes est du nitrure de 6 Pièce selon la revendication 1, caractérisée un disque de rotor de turbine à gaz. selon la revendication 1, caractérisée une aube ( 15) de rotor de turbine à gaz. selon la revendication 1, caractérisée un tube-foyer de turbine à gaz. selon l'une quelconque des revendica- caractérisée en ce que la céramique silicium. selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que le métal est un superalliage à base de nickel. 7. Procédé de fabrication d'une pièce composite métallocéramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à fabriquer un corps principal ( 1) en céramique, destiné à supporter la charge, à enrober d'une poudre métallique ( 6) les sur- faces exposées de ce corps, à compacter cette poudre sur le corps de céramique par pression isostatique à chaud, puis à enlever le métal de zones choisies de ce corps.