Brevet FR2541152A1 — publié le 19840824

L'invention est relative à un procédé pour la réalisation d'un corps métallique composite constitué de plusieurs couches métalliques et ayant un profil complexe ou comportant des trous ou des gorges dans sa partie intérieure On connait déjà, comme procédés de liaison de plusieurs pièces métalliques de métaux identiques ou diffé rents, le soudage , la liaison par diffusion ou analogues. Toutefois, dans le soudage, il est nécessaire de maintenir un jeu ou espace d'une valeur prédéterminée, en général de 0,02 à 0, Q8 mm, entre les pièces métalliques. Par conséquent, ce procédé n'est pas applicable à des pièces pour lesquelles le maintien d'un jeu donné est difficile, par exemple de pièces de grandes dimensions, des pièces dont la surface de liaison est courbe, ou encore dans le cas de la liaison d'une pièce métallique en feuille et d'une pièce usinée. Le procédé de liaison par diffusion nécessite normalement de maintenir les pièces à haute température tout en les soumettant à une pression et, ainsi; la forme des pièces à lier est limitée.De plus, comme il est nécessaire de maintenir l'application de la pression à haute température, une déformation de plus de quelques pour cents se produit dans les pièces; ce procédé présente donc la difficulté qu'il n' est pas applicable à la liaison de pièces pour lesquelles une précision est requise. L'un des buts de l'invention est par conséquent de fournir un procédé amélioré pour réaliser un corps métallique composite constitué de plusieurs couches métalliques et présentant un profil complexe, ou comportant des trous ou des gorges dans sa partie intérieure, et ce, Bans soumettre les éléments métalliques à une déformation ou autre défaut. Selon une caractéristique de l'invention, le procédé perfectionné pour la réalisation d'un corps métallique composite est caractérisé par le fait qu'il consiste : à remplir de poudre métallique une zone ou espace creux formé entre plusieurs éléments métalliques en métaux identiques ou différents, ou entre lesdits éléments métalliques et un moule ou un noyau, et ensuite à faire imprégner ladite poudre métallique par du métal fondu, ce métal ayant un point de fusion inférieur à ceux des éléments métalliques du moule, du noyau et de la poudre métallique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé perfectionné pour la réalisation d'un corps métallique composite est caractérisé par le fait qu'il consiste à remplir de poudre métallique une zone ou espace creux formé entre plusieurs éléments métalliques en métaux identi ques ou différents, ou entre lesdits éléments métalliques et un moule ou un noyau, ensuite à faire imprégner ladite poudre métallique par du métal fondu, ce métal ayant un point de fusion inférieur à ceux des éléments métalliques, du moule, du noyau et de la poudre métallique, et à maintenir la poudre métallique et le métal fondu à l'état chaud pour les faire diffuser l'un dans l'autre, une couche allie uriforme étant ainsi formée dans cette zone. les caractéristiques ci-dessus, avec d'autres , ainsi que d'autres buts de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre de modes de mise en oeuvre préférés de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig 1 est une coupe longitudinale illustrant un mode de réalisation préféré de l'invention, pour la réalisation d'un corps métallique creux; Fig 2 est une coupe transversale selon la ligne II-II de la fig 1; Fig 3 est une coupe longitudinale illustrant un autre mode de réalisation préféré de l'invention; Fig 4 est une coupe transversale selon la,igge IV-IV de la fig 3; Fig 5 est une vue latérale extérieure montrant la partie intérieure d'une chambre de combustion du type à refroidissement de régénération pour un moteur de fusée à combustible liquide; Fig 6 est une coupe transversale selon VI-VI de la fig 5;; Fig 7 est une vue à plus grande échelle du détail VII de la fig 6; Fig 8 est une coupe longitudinale montrant la constitution de la chambre de combustion de la fig 5 en mettant en oeuvre le procédé selon l'invention; Fig 9 est, à plus grande archelle, une coupe selon IX-IX d'une partie de la fig 8; Fig 10 est une coupe longitudinale d'une pièce d'essai réalisée dans les marnes conditions que celles illustrées aux fig 8 et 9; Fig 11 est une coupe longitudinale illustrant le cas d'un modèle d'un cône de réception d'un moteur de démarrage en utilisant le rocédé seIlon l'inventi1o1n;Fig. 12 esture coupe transversale selon XII-XII de la fig 11;; Fig 13 est une coupe langitudinale illustrant le cas d'un corps métallique composite constitué de deux couches intérieure et extérieure, en utilisant le procédé selve l'invention. En référence aux fig 1 et 2, qui illustrent un mode de réalisation préféré de l'invention pour la fabrication d'un corps métallique composite, 1 et 2 désignent des éléments métalliques creux tronconiques de diamètres différents dans un même plan de coupe, 3 désigne une poudre métallique, 4 désigne un métal fondu, 5 et 6 désignent des parties de moule, et 7 désigne des noyaux. les deux éléments métalliques 1, 2 et un grand nombre de noyaux 7 sont placés dans le moule constitué par les parties de moule 5, 5 (Fig 1,2) pour constituer un espace ou zone creux entre les éléments métalliques 1, 2. L'espace creux est ensuite rempli avec la poudre métallique 3 et on fait imprégner la poudre métallique 3 par le métal fondu 4, ce métal ayant un point de fusion inférieur à ceux des éléments métalliques 1, 2, de la poudre métallique 3, du moule 4, 5 et des noyaux 7.On peut ainsi réaliser un corps métallique composite constitué par les éléments métalliques 1, 2 et une couche métallique 3,4. Il est à noter que, normalement, le metal fondu 4 imprègne la poudre par son propre poids et par phénomène de capillarité entre les grains de la poudre métallique 3.Toutefois, dans le cas oli les formes des faces intérieures des éléments métalliques 1, 2 sont complexes, ou si l'on craint qu'une imprégnation faible ou une porosité du, retrait puissent se produire dans la poudre métallique 3, on peut appliquer une pression au métal fondu pour lui faire imprégner la poudre. Dans le mode de réalisation des fig 3 et 4, un élément métallique cylindrique 1 est placé sur un moule 5 â noyau pour définir avec lui un espace ou zone creux; la poudre métallique 3 est versée dans cet espace; puis la poudre métalliquer3 est imprégnée par le métal fondu 4 ayant un point de fusion inférieur à ceux de l'élément mé talque 1, de la poudre métallique 3 et du moule 5. On obtient ainsi un corps métallique composite constitué de l'élément métallique 1 et d'une couche métallique 3, 4. le procédé ci-dessus selon l'invention pour la réalisation d'un corps métallique composite sera mainte nant illustré en référence à quelques exemples pratiquesd'application. Une chambre de combustion du type à refroidissement de régénération pour un moteur de fusée à combustible liquide est constitué par un corps métallique composite présentant une configuration complexe telle qu'une partie faisant face à l'espace de combustion est en cuivre exempt d'oxygène, qu'une partie externe est en acier inoxydable ( par exemple suivant -la norma américaine SUS 347) et, de plus, qu'une partie intérieure en couche soit munie de canaux ou passages d'un fluide de refroidissement dans lesquels circule de l'hydrogène ou de l'oxygène liquide. Si l'on réalise ce corps métallique composite en utilisant le procédé selon l'invention, un élément 1 ( Fig 5 à 7), présentant un grand nombre de gorges 1 a sur sa face extérieure périphérique, est en cuivre exempt d'oxygène, un élément séparé 2 (Fig 8,9), ayant une forme qui suit celle de l'élément 1, est en acier inoxydable, les gorges 1 ade l'élément 1 sont remplies d'une matière de remplissage 8 du type bouillie, par exemple en poudre de céramique, sel soluble dans l'eau et eau, la matière de remplissage 8 est durcie par chauffage et séchage pendant 2h à 4000C les éléments 1 et 2 sont placés sur un moule 5 (fig 8) en définissant entre eux un espace ou zone creux, des parties séparées de l'élément 2 sont soudées, une poudre métallique 3 à grains sphériques de dimensions0, 07 à 0, 17mm est versée dans ledit espace creux, un métal 4 consistant en 58,5 * Ag, 31,5je Cu, 10% Pd (ligne de phase solide d'envi; ron 825% et ligne de phase liquide d'environ 8500 C) est placé au-dessus de la poudre métallique 3, et ce métal 4 est fondu par chauffage et maintien à 880 C sous vide. le métal fondu pénètre parfaitement dans la poudre métallique 3, ce qui produit un alliage, les pièces respectives étant parfaitement intégrées et liées l'une à l'autre. De plus, la matière céramique de remplissage est enlevée par lavage à l'eau chaude pour le dégagement des canaux de refroidissement. La fig 10 montre une pièce d'essai obtenue par la liaison d'une pièce métallique 1 en cuivre exempt d'oxygé- ne et d'une pièce métallique 2 en acier inoxydable, dans les mêmes conditions que ci-dessus. Dans un essai de résistance à la traction, alors que la pièce métallique 1 en cuivre exempt d'oxygee s'est rompue, la liaison entre cette pièce 1 et la couche d'alliage 3, 4, la couche 3, 4 ellemême et la liaison entre celle-ci et la pièce métallique 2 en acier inoxydable n'ont été ni rompues, ni arrachées. Il s'est confirmé ainsi que la résistance de ces dernières est supérieure à celle de la pièce métallique 1 en cuivre exempt d'oxygène. Un autre exemple d'une production d'essai, pour un modèle d'un cône de réception d'un moteur de démarrage, sera maintenant expliqué en référence aux fig 11 et 12.Une feuille mince de 0,5mu d'épaisseur d'un alliage commercialisé sous l'appellation Inconel 625 ( composition nominale: 220/0 Cr, 9% Mo, 4% Nbi 3% Fe, 0,2% Ti, 0,2% Al, le reste étant du Ni), et des conduites 2 en même matière métalli que sont soudées pour constituer une structure soudée en métal en feuille. Une poudre 3 en cuivre pur, de grains de 0,12 à 0, 17mm est versée de manière dense dans l'espace creux défini entre la feuille mince 1 et l'intérier des conduites 2.Un alliage eutectique Ag - Cu (température eutectique 77toc) est placé au-dessus de la poudre et chauffé à 81OOC sous vide. On obtient ainsi un corps métal liquecomposte comportant plusieurs conduites 2 et une en veloppe externe en Inconel 625. Dans ce cas, il se confir me, par une observation de la microstructure métallurgi que d'une section droite, que la pénétration de l'alliage eutectique Ag=Cu dans la poudre de cuivre est si parfaite que la matière d'apport s'est intimement liée avec les con duites et l'enveloppe externe, avec intégration. On donnera maintenant, en référence à la fig 13, un dernier exemple de réalisation d'un corps métallique composite avec le procédé selon l'invention. 1 désigne une enveloppe cylindrique en feuille de cuivre pur de 1 mm d'é paisseur. Une poudre métallique 3 d'aluminium pur de grains de 0, 07 à 0, 15mm est versée dans l'enveloppe 1. Un mou- le 6 de retenue d'un métal fondu et un alliage eutectique Al- Si ( température eutectique 577oc) 4 sont placés sur la poudre. Un outil de pression 9 est placé sur le métal 4. L'ensemble est chauffé à 60000 pour faire fondre l'alliage eutectique Al- Si 4. Du fait de la présence de l'outil 9, l'alliage fondu 4 pénètre sous pression dans la poudre 3. On obtient ainsi un corps métallique composite comportant une enveloppe extérieure en cuivre et une partie intérieu- re en alliage d'aluminium. Dans ce cas également, une ob servation de la microstructure métallurgique d'une sec tion droite a révélé que, dans la zone de liaison entre le cuivre et l'alliage d'aluminium, il s'est produit une couche d'alliage par diffusion du cuivre et de l'alliage d'aluminium entre eux et que, dans d'autres zones, il s' est produit une couche d'alliage de la poudre d'aluminium et de l'alliage eutectique Al-Si; il s'est confirmé que les diverses zones étaient parfaitement intégrées l'une à l'autre. Le corps métallique ci-dessus est léger et présente une excellente conductivité électrique. Il est à noter que l'utilisation des noyaux 7,la forme des éléments métalliques 1, 2, la ou les matières dont sont faite les éléments métalliques 1, 2-, la poudre métallique 3 et le métal fondu 4 sont déterminés selon la forme etZou la fonction du corps métallique composite à réaliser. Ils ne sont donc pas limités aux exemples décrits ci-dessus. Par exemple, si l'élément métallique est en alliage de titane, on utilise de la poudre 3 d'alliage d'aluminium et un métal fondu 4 ayant un point de fusion infé rieur à ceux de l'élément 1 et de la poudre métallique 3 cités3 on obtient ainsi un corps métallique composite comportant une enveloppe extérieure en alliage de titane et une partie interne en alliage d'aluminium.Si l'élément métallique 1 est en acier inoxydable, la poudre 3 est en fer et le métal fondu 4 est de la fonte; on obtient ainsi un corps métallique composite comportant une enveloppe extérieure en acier inoxydable et une partie intérieure en acier faiblement allié. Dans ce cas, si l'ensemble est maintenu à l'état chaud pour que la fonte en fusion pénètre dans la poudre de fer, le carbone de la fonte diffu-se dans la poudre de fer, de sorte qu'il se produit une solidification isotherme provoquée par l'abaissement de la teneur en carbone dans la fonte et également par la diffusion mutuelle des constituants de ceux-ci. La partie intérieure du corps métallique composite devient celle d'un acier uniforme faiblement allié. L'alliage uniforme ci-dessus mentionné, provoqué par la solidification isotherme de la partie intérieure est possible, dans la plupart des cas, pourvu que les mêmes séries de matériaux soient utilisées pour la poudre métallique 3 et pour le métal fondu 4. Bien que l'invention ait été décrite en relation à quelques modes de mise en oeuvre préférés, il est entendu qu'elle n'est pas limitée à ceux-ci. Au contraire, on pourrait concevoir diverses variantes d'application ou de réalisation sans sortir de son cadre REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation d'un corps métallique composite, caractérisé par le fait qu'il consiste à remplir de poudre métallique (3) une zone ou espace creux formé entre plusieurs éléments métalliques (1, 2)en métaux identiques ou différents, ou èntre lesdits éléments métalliques et un moule(5,6) ou un noyau (7), et ensuite à faire imprégner ladite poudre métallique (3) par du métal fondu (4), ce métal ayant un point de fusion inférieur à ceux des éléments métalliques, du moule, du noyau et de la poudre métallique 2.Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte ensuite l'étape consistant à maintenir la poudre métallique (3) et le métal fondu (4) à l'état chaud pour les faire diffuser l'un dans l'autre , une couche alliée uniforme étant ainsi formée dans cette zone. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on fait imprégner la poudre métallique (3) par le métal fondu (4) par gravité. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on fait imprégner la poudre métallique (3) par le métal fondu (4) en soumettant le métal fondu à une pression. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à4, caractérisé par le fait qu'au moins un noyau (7) est placé dans ledit espace creux pour ménager ultérieurement des canaux ou passages dans le corps 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le noyau est en matière destructible, notamment en poudre de céramique destinée à être lavée à 1' eau chaude. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les éléments métalliques (1,2) sont en cuivre exempt d'oxygène et en acier inoxydable et que le métal fondu (4) comporte essentiellement de l'art gent et du cuivre, notamment 58,5% Ag, 31,5% Cu, 10% Pd. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les éléments métalliques (1,2) sont constitués par une feuille métallique (1) à base de Ni-Cr, notamment de composition 22% Cr, 9% Mo, 4% Nb, 3% Fe, 0,23/0 Ti, 0,2% AI, le reste étant du nickel et par des conduites (2) de même composition, que la poudre métallique (3) est en cuivre pur, et que le métal fondu (4) est un alliage eutectique Ag- Cu. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les éléments métalliques (1,2) sont en cuivre pur, que la poudre (3) est en aluminium pur, et que le métal fondu (4) est un alliage eutectique Al Si. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les éléments métalliques (1,2) sont en alliage de titane et quelea poudre (3) est en alliage d'aluminium. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les éléments métalliques (1,2) -sont en acier inoxydable, que la poudre métallique (3) est en fer et que le métal fondu (4) est de la fonte.