Brevet FR2528147A1 — publié le 19831209

L'invention, due à Nils CLAUSSEN et G Unter PETZOW, con- cerne des tubes composites en céramique à haute résistance, leurs procédés de fabrication et leurs applications. Les céramiques se distinguent par leurs qualités de ré- sistance aux hautes températures, de résistance à l'usure, de ré- sistance à la corrosion ainsi que de résistance aux changements de température Mais leur résistance mécanique très insuffisante, en particulier leur fragilité et leur faible résistance à la traction s'opposent à l'exploitation technique de ces propriétés avantageus C'est ainsi que les tubes en céramique ne se prêtent pas aux appli cations pour lesquelles de fortes sollicitations tangentielles à l traction peuvent être créées à l'intérieur de ces tubes. L'invention a pour but de proposer un tube en céramique à haute résistance permettant d'exploiter complètement les proprié tés avantageuses mentionnées ci-dessus des céramiques, même si son engendrées de fortes charges ou sollicitations à la traction et ur pression interne élevée En particulier un tel tube en céramique doit pouvoir résister aux efforts mécaniques mis en jeu au cours du tir d'une arme à feu, par exemple dans le canon d'une telle ar- me, ou encore au niveau d'un palier fortement chargé. Ce but est atteint selon l'invention par un tube composi te en céramique caractérisé en ce qu'il comporte un tube intérieur en céramique et au moins un tube extérieur en métal ou céramique rétracté autour du tube intérieur. Avec un tel tube composite en céramique selon l'inventic la rétraction du tube extérieur compense largement ou complètement la fragilité de la céramique du tube intérieur, c'est-à-dire sa sensibilité au choc thermique et au choc mécanique, ainsi que sa faible résistance à la traction (qui est de l'ordre de seulement 1 l de sa résistance à la compression) De la sorte le domaine d'effoi résultant de la pression interne et de la charge thermique est dé- calé vers celui de la résistance de la céramique à la compression. Avec le tube composite en céramique selon l'invention, c'est la cote en excès du tube intérieur, c'est-à-dire la différer ce entre le rayon extérieur du tube intérieur et le rayon intériei du tube extérieur à température normale, qui détermine la contrait te (de rétraction ou serrage) exercée sur le tube intérieur, laqu( le engendre une précontrainte sur la face interne du tube. Par un choiz aprropr Lé des matériaux constit Lt''-r di t:- be extérieur et du tube intérieur on peut ainsi fabriquer des tub( 2 2528147 composites propres à résoudre les différents problèmes comportant exploitation des propriétés avantageuses mentionnées ci-dessus des céramiques. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le tube extérieur est lui-même composé de plusieurs tubes concen- triques en métal et/ou en céramique Avec un tube extérieur compo- sé de plusieurs tubes métalliques concentriques rétractés les uns sur les autres, il est possible d'augmenter sensiblement la contrain- te de serrage pour une épaisseur donnée de ce tube extérieur, com- parativement à un tube extérieur métallique de même épaisseur, mais constitué d'une seule couche métallique. Etant donné qu'avec un tube extérieur métallique la con- trainte de serrage diminue lorsque la température de l'ensemble du tube composite s'élève, le coefficient de dilatation thermique du métal étant supérieur à celui de la céramique, on peut réduire cet- te dilatation thermique et par suite la diminution de la contrainte de serrage, lorsque le tube extérieur est composé de plusieurs tu- bes métalliques concentriques, en adoptant pour ces différents tu- bes des métaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents. Selon un mode de réalisation avantageux, on prévoit au moins une couche thermiquement isolante entre les différents tubes métalliques composant le tube extérieur Une telle couche isolante permet également de maintenir une contrainte de serrage plus élevée lors du chauffage du tube composite Cette couche isolante peut être constituée en divers matériaux appropriés, par exemple en amiante ou en céramique Dans ce dernier cas le tube composite se- lon l'invention peut comprendre un tube intérieur en céramique et un tube extérieur constitué à son tour de plusieurs tubes concen- triques poussés les uns sur les autres, dont les matériaux-consti- tutifs sont, de l'intérieur vers l'extérieur, un métal, une céra- mique, un métal, etc. Comme métal l'acier est préféré dans le cadre de l'inven- tion, en particulier quand le tube composite doit être utilisé pour des canons d'armes à feu Comme dans ce cas la résistance du tube est déterminée par la limite d'allongement thermique de l'acier, qui est de l'ordre de 1 000 à 3 000 MN/m 2, de tels tubes composites possèdent une précontrainte, et par suite une résistance finale de la combinaison d'ensemble, qui est tout à fait suffisante pour les températures développées dans les canons d'armes à feu. Pour d'autres applications faisant intervenir des temps ratures encore plus élevées, le tube extérieur-est avantageusernei constitué en un superalliage ou en un alliage TZN (à molybdè-ne) D'autres métaux ou alliages peuvent encore être envisa- gés en'fonction de l'application considérée. Le tube extérieur peut également être constitué par un tube en céramique ou plusieurs tels tubes concentriques Avec un tel tube composite céramique-céramique il est possible d'utilisez des céramiques présentant des coefficients de dilatation différer de telle sorte que, lors d'une élévation de température, la con- trainte de serrage ne diminue pas comme avec un tube extérieur mé tallique, mais augmente Ainsi, avec un tube intérieur en Mg O de coefficient de dilatation thermique a = 13 x 10 6/OK et un tube e térieur en Si 3 N 4 pour lequel a est d'environ 3 x 10 6/0 K, lors d'une élévation de température et donc d'un travail accru du tube composite, la contrainte exercée sur le tube intérieur en Mg O est augmentée du fait de la différence entre ces coefficients de dila tation On peut prévoir encore additionnellement des tubes exté- rieurs en métal. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'in- vention, le tube intérieur et le tube extérieur sont constitués e le même matériau De cette façon on obtient une construction comp site "isomorphe" ou "isostructurelle" pour laquelle la contrainte de serrage n'est pas modifiée par une élévation de température Li contraintes de traction les plus dangereuses exercées sur la face interne,qui à la suite de lésions pourraient conduire rapidement; la rupture,sont alors reportées à la surface de séparation proté- gée entre les deux tubes Une telle construction est particulière ment indiquée pour les coussinets, application pour laquelle le tube composite est court et peut être réduit à une bague De tel- les bagues composites selon l'invention sont particulièrement in- diquées pour des paliers fortement chargés, par exemple pour tur- bines en céramique ou moteurs thermiques, qui sont soumis à des températures spécialement élevées. Le matériau constitutif du tube intérieur en céramique peut être choisi par l'homme de l'art parmi les céramiques dispon: bles en fonction des propriétés requises en ce qui concerne la ré- sistance à la corrosion, la résistance à l'usure, la résistance aux changements de température, etc Des matériaux avantageusement choisis dans ce cadre sont ceux constitués de ou à base de Si 3 N 44 2528 & 147 Al 203 r Si C, g IO ou Zr O 2. Si la qualité dominante requise est la résistance à l'u- sure, A 1203, Si 3 N 4 et Si C et les matériaux à base de ces combinai- sons sont particulièrement indiqués Si la qualité dominante requi- se est plutôt la résistance chimique, on choisira plutôt un tube intérieur en Mg O, Zr O 2 ou éventuellement A 1203 La résistance chi- mique est particulièrement importante lorsque le tube composite se- lon l'invention doit être utilisé pour des tubes ou récipients à réaction chimique qui sont exposés à des milieux fortement corro- sifs et doivent en même temps résister à de fortes pressions et à des températures élevées. Un avantage essentiel de ce tube composite en céramique selon l'invention réside dans la grande symétrie de la contrainte de serrage exercée sur le tube intérieur Cette symétrie est d'au- tant meilleure que sont plus lisses les surfaces extérieures des tubes assemblés A cet effet on fait avantageusement comporter au tube intérieur une surface extérieure polie et au tube extérieur une surface intérieure polie en correspondance Des surfaces polies et par conséquent particulièrement lisses facilitent en outre le coulissement l'un dans l'autre du tube extérieur chauffé et du tube intérieur refroidi, lors de la fabrication du tube composite. Quand le tube extérieur est constitué en métal, le chauf- fage engendre aussi des contraintes de traction axiales, vu que le tube extérieur se dilate plus que le tube intérieur en céramique également selon la direction longitudinale Pour éviter que soient créés de ce fait dans de tels tubes composites des fissures tan- gentielles, il peut être avantageux de diviser le tube intérieur en céramique en plusieurs tronçons tubulaires plus courts C'est ainsi qu'il s'est révélé par exemple avantageux, pour un matériau de ce type, destiné à des canons d'armes, de réaliser le tube inté- rieur en céramique en réunissant des tronçons tubulaires longs d'environ 20 à 50 cm La longueur de ces tronçons dépend aussi bien des matériaux constitutifs des différentes couches du tube compo- site que de l'utilisation envisagée et des charges inhérentes à celle-ci et peut donc s'écarter nettement de celles indiquées ci- dessus pour des canons d'armes Si par exemple le revêtement d'un canon est constitué en Al 203 les tronçons tubulaires peuvent être choisis plus longs qu'avec du Si 3 N 4 dont la dilatation thermique est seulement 1/3 de celle de l A 1203 et qui en outre présente une limite d'allongement plus faible et une résistance à la pression inférieure. Le procédé de fabrication selon l'invention des tubes composites en céramique ci-dessus est caractérisé en ce que l'on introduit rapidement un tube intérieur en céramique, dont le rayon extérieur excède de 1 à 10 0/oo le rayon intérieur d'un tube exté- rieur, dans ce tube extérieur chauffé au moins jusqu'à compensatior de l'excédent de rayon par dilatation thermique et en ce qu'on réa- lise la rétractation du tube extérieur sur le tube intérieur par refroidissement. Si le tube extérieur est constitué en acier, le tube intm rieur en céramique s'échauffe quand il est introduit dans le tube d'acier chauffé et il se dilate donc alors que ledit tube d'acier se refroidit et se rétracte. Du fait de l'excédent de cote initial, la contrainte de serrage demeure même après refroidissement du tube composite formé. On constate que cette contrainte de serrage dépend de cet excédent de cote initial. Comme, lors du chauffage du tube composite, le tube exté- rieur en acier se dilate plus que le tube intérieur en céramique, la contrainte de serrage diminue L'excédent de cote du tube inté- rieur est donc choisi en fonction des conditions de température prévisibles à l'usage. Par ailleurs il faut s'assurer également que le frotte- ment entre le tube intérieur et le tube extérieur demeure suffisant lors du chauffage pour empêcher la sortie du tube intérieur hors di tube extérieur sous l'effet d'une sollicitation axiale. En outre l'excédent de cote ne peut être tel que soit dépassée la limite d'allongement thermique du matériau constitutif du tube extérieur car ce matériau ne peut au maximum se dilater élastiquement que jusqu'à cette limite de sorte qu'il correspond à cette limite une valeur maximum pour la contrainte de serrage. C'est ainsi que, si le tube extérieur est constitué en acier, un excédent de 1 à 4 % est préféré et qu'alors, lors de l'introduction du tube intérieur, la température du tube extérieur doit correspondre au maximum à la température de revenu de l'acier pour éviter de réduire les qualités mécaniques de l'acier. L'épaisseur des tubes dépend également du matériau et de l'utilisation Par exemple, pour une utilisation donnée, le tube intérieur peut présenter une épaisseur d raroi plus faible, quand il est constitué d'une céramique très résistante telle que A 1203, que lorsqu'il est constitué d'une céramique moins résistante telle que par exemple Si 3 N 4 combiné par réaction. Pour éviter un chauffage excessif du tube extérieur en acier ou autre métal spécialement traité, avec le danger d'une ré- duction des qualités, on donne de préférence la valeur la plus fai- ble possible au jeu nécessaire à l'assemblage du tube intérieur et du tube extérieur A cet effet il est avantageux d'une part de don- ner aux tubes des surfaces polies rigoureusement rondes et cylin- driques et d'autre part de guider les tubes à réunir de façon ri- goureusement'parallèle afin que lors de l'introduction les tubes ne coincent pas En outre la rétraction doit être effectuée si ra- pidement que le refroidissement du tube extérieur et l'échauffement du tube de céramique demeurent faibles et que les modifications de rayon correspondantes soient plus petites que le jeu entre les deux tubes. On va maintenant décrire à titre purement illustratif un mode de réalisation préféré du procédé de fabrication de tube com- posite en céramique selon l'invention en se référant au dessin ci- joint. Le tube extérieur 4 à rétracter est monté sur un disque de centrage 5 dont une excroissance pénètre dans le tube Tube et disque sont portés ensemble à la température désirée, par exemple à 6000 C Puis le dispositif A est centré sur le tube 4 Ce dispositif A est constitué par un anneau métallique 2 se rétrécissant vers le bas selon une forme légèrement conique, dans lequel le tube cérami- que l à renforcer est enfoncé en position C Au-dessus de ce tube intérieur 1 est placé un poids 3 A-l'instant de leur montage sur le tube 4, les composants de A se trouvent à la température am- biante Par transfert de chaleur du tube 4 à l'anneau 2, ce dernier se dilate quelque peu, de sorte que le tube intérieur 1 est libéré et est introduit dans le tube 4 par le poids 3 Le déplacement vers le bas est limité par le disque de centrage 5 et le tube de cérami- que intérieur 1 est instantanément retenu en place par refroidisse- ment du tube extérieur 4. Il est clair pour le technicien que ce procédé peut être modifié de nombreuses manières. Par exemple l'anneau métallique conique 2 peut également être chauffé par un dispositif particulier, notamment lorsque le tube extérieur 4 est constitué lui-même en une céramique, lequel ne cède que lentement de la chaleur à l'anneau métallique 2. De même le poids 3 peut être remplacé par d'autres moyer générateurs de pression, etc. Comme déjà mentionné, le tube composite céramique selon l'invention se prête généralement bien aux utilisations pour les- quelles la résistance mécanique d'un tube en céramique ne suffit pas De tels tubes composites sont particulièrement indiqués, lors qu'ils comportent un tube extérieur composé d'au moins une couche d'acier, pour contitues derq carrons, résistants à l'usure, d'arme à feu Par ailleurs les tubes composites céramique-métal ou céra- mique-céramique ci-dessus se prêtent particulièrement bien à la constitution de paliers fortement chargés ainsi que plus générale- ment aux applications mettant en Jeu des pressions élevées en mem E temps que des conditions corrosives et que, le cas échéant, de hai tes températures, en particulier pour la construction des réacteur et l'industrie chimique. Les exemples suivants de modes de réalisation selon l'ii vention sont donnés à titre purement illustratif: Exemples 1 à 5: On a fabriqué des tubes composites de céramique avec un tube extérieur en acier VCN 200 ou USU 2 et un tube intérieur en A 1203 ou RB-Si 3 N 4 (Si 3 N 4 combiné par réaction) Le diamètre intc rieur des tubes en céramique était de 18,0 mm et leur diamètre ex térieur était de 23,0 mm pour Al 203 et de 25,00 mm pour RB-Si 3 N Le diamètre extérieur des tubes d'acier était de 48 mm, leur dia- mètre intérieur, de 23,0 mm ou 25,0 mm selon la céramique du tube intérieur Les tubes d'acier étaient rétractés sur les tubes en c, ramique avec le dispositif représenté sur le dessin. Le tableau suivant montre les températures de traitemen et excédents de cote pour les différents cas: Exemple Matériaux Température Excédent d, cote (en o/o 1 Acier VCN 200 avec Al 203 6000 C 0,43 2,6 4,3 2 Acier VCN 200 avec A 1203 5000 C 0,43 2,6 4,7 3 Acier VCN 200 avec RB-Si 3 N 4 500 C 4,7 4 Acier USU 2 avec Al O 3 500 C 3,9 4,1 4,4 Acier USU 2 avec RB-Si 3 N 4 500 C 3,9 4,1 Sur les tubes composites obtenus on a mesuré la pression de serrage, la force de serrage, la force de frottement, et la for- ce d'extraction. Le tableau suivant montre les résultats obtenus, en fonc- tiom de l'excédent de cote choisi, pour les tubes céramiques compo- sites selon l'exemple 1: Echan Excéd de Pression de Force de Force de Force d'ex- tillon cote (en serrage serrage+ frottement-+ traction o/oo) (N/mm 2) ( 104 N) ( 104 N) 104 N 1 0,43 40 7,1 2,1 3,6 2 2,6 240 43 13 > 32 3 4,3 400 71 21 > 32 +) cotes du tube en céramique: diam intérieur = 19,5 mm, diam extérieur = 23 mnm, longueur = 25 mm ++) coefficient de frottement = 0,3 Les échantillons 2 et 3 ne pouvaient pas être divisés par extraction car le poinçon en acier avec lequel la pression é- tait exercée sur le tube en céramique, commençait à fluer Ils se prêtent donc également à de fortes charges axiales. Les tubes composites en céramique de la combinaison acier VCN 200 A 1203, qui avaient été fabriqués avec un excédent de cote de 4 o/oo ou plus, résistaient à une pression interne atteignant au moins 6 000 bars. Avec les combinaisons acier VCN 200 Si 3 N 4 les tubes ré- sistaient également à une pression interne atteignant 5 000 bars sans apparition de fissure ou de quelque autre dommage décelable. Avec les combinaisons correspondantes à l'acier USU 2 une pression interne atteignant 4 000 bars pouvait être supportée sans dommages Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisages; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 Tube composite en céramique de haute résistance, carac- térisé en ce qu'il comporte un tube intérieur en céramique et au moins un tube extérieur en métal ou céramique rétracté sur le tub intérieur. 2 Tube composite en céramique selon la revendication 1, ca ractérisé en ce que le tube extérieur est constitué de plusieurs -tubes céramiques concentriques en métal et/ou céramique. 3 Tube composite en céramique selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce qu'au moins une couche d'isolation thermique est interposée entre les tubes métalliques concentriques. 4 Tube composite en céramique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le métal est l' cier. 5 Tube composite en céramique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la céramique est à base de Si 3 N 4, A 1203, Si C, Mg O et/ou de Zr O 2. 6 Tube composite en céramique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le tube intériet est composé de plusieurs tronçons tubulaires. 7 Tube composite en céramique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le tube intérieur et le tube extérieur sont constitués en le même matériau. 8 Procédé pour fabriquer un tube composite en céramique se- lon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'on introduit rapidement un tube intérieur en céramique dont le rayon extérieur excède de 1 à 10 o/oo le rayon intérieur d'un tube extérieur, dans ce tube extérieur chauffé au moins jus- qu'à compensation de l'excédent de rayon par dilatation thermique et en ce qu'on réalise la rétractation du tube extérieur sur le tube intérieur par refroidissement. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, le tube extérieur étant en acier, on adopte un excédent de rayon d tube intérieur de 1 à 5 o/oo êt en ce que la température du tube extérieur, lors de l'introduction du tube intérieur, correspond au maximum à la température de revenu de l'acier. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractéris en ce que l'on monte verticalement sur un disque épaulé de centrag le tube extérieur, simple Du ce npos te, en ce que l'on chauffe ce tube et ce disque à-la température désirée, en ce que l'on place concentriquement sur le tube extérieur un anneau métallique conver- gent vers le bas selon une forme légèrement conique, anneau conte- nant le tube intérieur, et en ce que l'on introduit vers le bas le tube intérieur dans le tube extérieur chauffé, dès que l'anneau s'est suffisamment dilaté par chauffage. 11 Application d'un tube composite en céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 au canon d'une arme à feu. 12 Application d'un tube composite en céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à un palier fortement chargé.