Brevet FR2606707A1 — publié le 19880520

STRUCTURE METALLIQUE COMPOSITE RESISTANTE A LA FATIGUE THERMIQUE La présente invention concerne le domaine des pièces métalliques soumises à des contraintes mécaniques élevées ainsi qu'à des chocs thermiques localisés. De telles conditions d'emploi nécessitent des alliages à haute résistance mécanique ayant également de bonnes caractéristiques d'allongement et de fluage, qualités généralement peu compatibles avec la haute résistance mécanique. Cette dernière est généralement atteinte au détriment des caractéristiques d' allongement et de fluage. Il en résulte que dans les zones de la pièce soumises à des chocs thermiques, des criques superficielles dites de fatigue thermique se produisent, sous l'effet des allongements et des contractions dus aux chocs thermiques. Ces criques se développent ensuite en profondeur et provoquent des ruptures parfois catastrophiques de la pièce. L'obit de la présente invention est une structure de pièce métallique à haute résistance mécanique ne présentant pas de tels risques. A cet effet, les zones de la pièce soumises à fatigue thermique sont constituées d' une couche superficielle d' un alliage à caractéristiques d'allongement et de fluage suffisantes pour le rendre insensible aux contraintes de choc thermique que subit la zone de surface concernée, cette couche étant déposée par soudure sur le substrat de la pièce en alliage à haute résistance mécanique. Cette structure composite a pour résultat de ne plus soumettre 1' alliage à haute résistance mécanique qu'a un effet atténué des contraintes de choc thermique, reçues pleinemerlt par la couche de surface, qui a les caractéristiques mécaniques permettant de les recevoir sans risques de développer de criques de fatigue thermique, qui ne peuvent se développer par ailleurs directement dans la partie sous-lacente à haute résistance. L'invention permet donc, par des moyens simples, d' augmenter sensiblement les possiblités de performances en fatigue de pièces métalliques à haute résistance. Il est connu de réparer par soudure des criques de fatigue thermique, éventuellement avec un métal d' apport moins sensible à la crique, mais dans ce cas, la soudure doit être plus profonde, pour éliminer -la zône criquée et elle entraîne généralement un affaiblissement de la résistance mécanique de la pièce. C' est pourquoi de telles réparations par soudure sont parfois interdites pour des pièces critiques, hautement sollicitées, par exemple dans des applications aéronautiques. Dans un tel contexte, la technique selon l'invention est paradoxale en ce qu' elle effectue 1' équivalent d' une réparation par soudure avant même que le défaut n' apparaisse, mais la surcharge de métal de surface peu sensible au choc thermique est alors uniforme et peu profonde et n' affecte pas sensiblement la résistance mécanique de la structure sous-jacente. L'invention s' appliquera notamment aux pièces de fonderie en alliages légers et en particulier aux culasses de moteurs à combustion interne pour automobiles. Les limites de résistance à la fatigue thermique de ces dernières pièces fixent généralement les limites de la puissance des moteurs qu' elles équipent, limites que la présente invention permet de faire reculer sensiblement. Un exemple de réalisation d' une telle application de l'invention à une culasse en alliage léger de moteur à combustion interne d'automobile sera décrite ci-après, en référence aux dessins annexés où: - la figure l représente une section partielle de la culasse, suivant les axes des soupapes d' admission et d' échappement, brute de fonderie avec une zône critique traitée selon l'invention. - La figure 2 représente une vue de face des orifices d' admission et d' échappement de la figure l et la zone de structure selon l'invention. - La figure 3 représente la même section que la figure 1, après usinage et montage des guides et sièges de soupapes. - La figure 4 représente la même vue que la figure 2, après usinage et montage des sièges de soupapes montrant la structure selon l'invention dans la zone critique entre les sièges de soupapes, dite zône de pontet. Sur la figure I apparaît une section partielle de culasse en alliage léger 1 montrant les arrivées des pipes d' admission 2 et d' échappement 3, les passages des tiges de soupapes 4 et 5, les ouvertures des sièges de soupapes 6 et 7 ainsi que les passages d' eau 8 de refroidissement de la culasse. Les orifices d' alimentation 7 et d' échapnement 6 débouchent sur la chambre de combustion du moteur, non représentée. Ils sont délimités par une zone hachurée 9 figurant les surépaisseurs d' usinage de la pièce. La zone de pontet située entre les orifices 6 et 7, face à la chambre de combustion, figurée par la surface à hachures quadrillées 10 est une zône particulièrement critique de la culasse, quant à ses contraintes de fatigue thermique. Elle est d' une part précontrainte en tension par l'emmanchement à force des sièges de soupapes Il (fig. 2) et d'autre part soumise à des gradients de température importants entre le passage d'eau 8, à environ 1000C et la face de la chambre de combustion à 300 - 3500C. C' est donc habituellement à cet endroit que se développent des criques de fatigue. Selon l'invention, on procédera sur la pièce brute, avant traitement, au dépôt par soudure, par tout moyen connu approprié tel que la soudure à 1' arc sous gaz neutre, d' un alliage ayant de bonnes caractéristiques d' allongement et de fluage, adaptées aux contraintes de fatigue thermique de la zone considérée. A titre d' exemple, pour une culasse en alliage d' aluminium du type AS 5 U 3, à 5 % de silicium et 3 ,o de cuivre, on pourra choisir une couche de revêtement par soudure de la zône 10 en alliage AS 5, à 5% de silicium.Cet alliage a bonne résistance au choc thermique laissera progressivement place notamment après traitement thermique, dans la zône de lonction de soudure, à I' AS 5 U 3 plus résistant, qui permet à la culasse de supporter un serrage de 1' ordre d' une centaine de tonnes contre le moteur. Il est à noter que de telles opérations de recharge locale par soudure sont aisément automatisables et intégrables dans des lignes de fabrication de grande série. Pour des culasses, comme dans 1' exemple cité, elles s' effectueront avant trempe, traitement thermique et usinage. Après usinage, comme le montrent les figures 3 et 4, une structure composite subsistera dans la zone de pontet 10, avec une couche de surface d' alliage AS 5 couvrant la surface sous-lacente d' AS 5 U 3, métal de base de la culasse. REVENDICATIONS l - Structure métallique composite résistante à la fatigue thermique, notamment causée par des chocs thermiques répétitifs et localisés de pièces sous contraintes mécaniques, caractérisée en ce que les zônes de pièce soumises à fatigue thermique sont constituées d' une couche superficielle d' un alliage à caractéristiques d' allongement et dé fluage suffisantes pour le rendre insensible aux contraintes de choc thermique que subit la zone de surface concernée, - cette couche étant déposée par soudure sur le substrat de la pièce en alliage à plus haute résistance répondant aux contraintes mécaniques de ladite pièce. 2 - Structure métallique composite selon 1 caractérisée en ce que la pièce sous contraintes mécaniques est une culasse (1) en alliage léger de moteur à combustion interne dans laquelle les zônes de pontets entre les sièges de soupapes d'admission et d' échappement (6, 7) sont recouvertes par soudure d'une couche (10) d'alliage à bonnes caractéristiques d' allongement et de fluage et peu sensible à la fatigue thermique. 3 - Structure métallique composite selon 2 caractérisée en ce que la recharge des zônes de pontets par soudure d'une couche (10) d'alliage à bonnes caractéristiques d' allongement et de fluage est effectuée avant trempe et traitement thermique de la culasse. 4 - Structure métallique composite selon 2 et 3 caractérisée en ce que la couche d'alliage (10) à bonnes caractéristiques d'allongement et de fluage est un alliage aluminium - silicium à 5 ,o de silicium, du type AS 5, déposée sur la base du métal d' une culasse ~ en alliage d'aluminium - silicium - cuivre à 5 ó de silicium et 3 % de cuivre du type AS 5 U 3.