Brevet FR2616105A1 — publié le 19881209

Pièce moulée en un matériau composé de métaux et de non-métaux" La présente invention concerne une pièce moulée en un matériau composé de métaux et de non- métaux. De telles pièces sont destinées à être uti- lisées à des températures élevées, en particulier des température dépassant 1 000C. La difficulté qui existe pour des pièces moulées à l'aide de matériaux composés en particulier des composés de métaux et de non-métaux, est qu'il faut tenir compte des coefficients de dilatation ther- mique très différents des matériaux. constitutifs. La pièce composée ne convient pas pour des applications à des températures élevées et des durées importantes si la partie métallique n'est que partiellement dégagée et que l'utilisation se fait dans une atmosphère oxy- dante. Ainsi, on a déjà tenté de protéger des maté- riaux métalliques ou des matériaux composés contenant des métaux par une couche de protection appliquée sur la partie métallique, pour les protéger contre l'oxy- dation. Toutefois, cette protection n'existe qu'aussi longtemps que la couche de protection n'a pas été dé- truite par la fatigue thermique et/ou des contraintes mécaniques. Mais de très faibles endommagements de la couche de protection peuvent suffire à provoquer une destruction totale du composant en un temps très court. Cela est notamment vrai si la température d'u- tilisation est beaucoup plus élevée que la température à laquelle le matériau sans couche de protection ré- siste de lui même à l'oxydation. Ainsi, il est déjà arrivé que des composants renforcés par des fibres de carbone et portant une couche protectrice en carbure de silicium puissent s'utiliser jusqu'à une température d'environ 1 600 C grâce à cette couche mince mais qu'un endommagement de la couche de protection pouvait provoquer la combus- tion de la pièce en moins d'une minute. La présente invention a pour but de créer une pièce moulée en un matériau composé comprenant des métaux et des non-métaux qui, pour une temperature élevée supérieure à 1 000 C, en particulier 1 400C, convient pour une utilisation dans une atmosphère oxy- dante comme de l'air et pour la durée de vie souhaitée pour la pièce. A cet effet, l'invention concerne une pièce moulée en un matériau composé caractérisée par la structure suivante: a) un premier matériau à résistance mécanique élevée mais faible résistance à l'oxydation aux températu- res élevées, et b) un second matériau à résistance mécanique faible et résistance à l'oxydation élevée aux températures élevées, c) ces matériaux sont prévus de façon que le premier matériau soit totalement entouré du second matériau même si seulement une partie du volume de l'ensem- ble de la pièce moulée est remplie. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, elle est constituée par un produit laminé qui comprend, sur une structure en sandwich, le premier matériau comme noyau et le second matériau comme enve- loppe ou encore une alternance de ces deux matériaux. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, pour des pièces d'encombrement relativement faible en un matériau on choisit au moins leurs exten- sions (longueur, largeur, épaisseur) pour que dans la direction de leurs extensions, elles se recouvrent au moins partiellement et que, par ailleurs, elles soient toujours séparées l'une de l'autre par du matériau si- tué dans les intervalles. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la ou les pièces de matériau sont entourées de matériau par projection,"pressage, coulée ou analo- gue. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau est choisi dans le groupe formé par le carbone, le graphite, le diamant synthétique et le matériau est choisi dans le groupe formé par le si- licium-métal, le dioxyde de silicium, le carbure de silicium, le nitrurecarbure de silicium, Si3N4, le verre ou une céramique vitreuse contenant du dioxyde de silicium. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau est choisi dans le groupe formé par un métal, un alliage métallique et le matériau est choisi dans le groupe formé par une matière céramique, un cermet, du verre, de la céramique vitreuse, du mé- tal-verre. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, entre les deux matériaux, on a également un troisième matériau, en particulier sous la forme d'une couche de liaison. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, à la place de la couche de liaison, on a un traitement préalable, y compris un traitement qui évi- te que ne se fasse la liaison entre le matériau et le matériau ou inversement en des endroits ou dans des zones. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau se présente sous la forme d'une feuille, d'une nappe, d'un filet, d'un tissu, d'une structure, d'une éponge, d'une mousse, d'une structure en nid d'abeille, d'un empilage ou analogue et sa ou ses parties telles que les fils, les fibres des câ- bles, des bandes sont imprégnées du matériau ou du ma- tériau composé, sont infiltrées ou saturées avant d'ê- tre enrobées massivement de manière appropriée par le matériau. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la pièce se présente sous la forme d'un pro- duit semi-fini susceptible d'être coupé à. la longueur, sans fin, par exemple une bande. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, l'enrobage se fait sous une forme convenant pour une pièce finie ou pratiquement finie. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, son application comme pièce travaillant à température élevée dans la construction de machines ou d'appareils, dans des turbines à gaz, des turbo- moteurs ou des moteurs de fusées ou analogues, pour la propulsion d'engins volants dans l'air et dans l'espa- ce, en particulier pour des chambres de combustion, des rotors de turbine, des aubes directrides, des bu- ses réglables ou autres pièces de sortie de gaz chaud de véhicule ou d'installations fixes. La présente invention concerne également toutes les combinaisons et sous-combinaisons des ca- ractéristiques décrites à la suite. Les principaux avantages de l'invention ré- sident avant tout dans le fait qu'une défaillance to- tale de la pièce en un temps très court, comme évoqué à propos de l'état de la technique n'est plus possi- ble. La défaillance ne peut plus se produire brutale- ment mais, même après un endommagement, la plus grande partie de la pièce de matériau composé reste telle quelle. Même un endommagement du matériau très résis- tant à l'oxydation à une température élevée ne peut aboutir qu'à une attaque locale limitée du matériau à protéger (noyau). Une destruction totale ne peut être provoquée que par plusieurs endommagements importants. La présente invention sera décrite à l'aide de différents exemples de réalisations représentées schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une coupe d'une pièce moulée en un matériau composé à plusieurs couches (produit laminé), - la figure 2 montre une pièce moulée en un matériau composé formée d'une structure à alternance de dif- férentes pièces. Dans le mode de réalisation de l'invention selon la figure 1, on a une alternance de couches for- mées d'un matériau 1 à très grande résistance mécani- que mais à faible résistance à l'oxydation aux tempe- ratures élevées et des couches protectrices en un ma- tériau de faible résistance mécanique mais de grande résistance à l'oxydation aux températures élevées. Il suffit ainsi, dans le cas le plus simple, que le pro- duit laminé présente une structure en sandwich et ne soit entouré que d'une couche en un matériau de grande résistance mécanique et de faible résistance à l'oxy- dation avec une enveloppe en un matériau très résis- tant à l'oxydation, même aux températures élevées. Si l'on superpose plusieurs couches en sandwich ou si. l'on fait toujours alterner ces couches, on obtient un matériau composé toujours alterné, de façon qu'il oc- cupe globalement la forme d'une pièce moulée massive et qu'il soit entouré, à partir de l'extérieur, avec un matériau 2 présentant de meilleurs caractéristiques de résistance à l'oxydation. Les combinaisons de matériaux i et 2 sont choisies de préférence pour qu'entre les deux maté- riaux 1 et 2, on obtienne un bon accrochage. Le cas échéant, on peut également prévoir une couche d'accro- chage entre les deux matériaux 1 et 2. La combinaison des matériaux et leur liaison peuvent également être choisis pour que, d'une part, entre les deux matériaux 1 et 2, dans les zones partielles, on obtienne un bon accrochage et que, par ailleurs, il n'y ait qu'un mau- vais accrochage ou pas de liaison du tout. Un tel matériau composite peut également se réaliser en mettant en oeuvre un procédé tel que celui décrit dans le brevet DE-33 23 855. Ce procédé utili- sant des étapes et des zones actives sur le plan de l'accrochage et réductrices et évitant l'accrochage, s'applique de manière particulièrement avantageuse des carbones renforcés par des fibres de carbones, en- tourés par du silicium métal ou de l'oxyde de sili- cium, SiC, Si3N4, du verre ou du métal-verre, ou de la céramique-verre. On peut également envisager l'appli- cation à de la céramique renforcée par des fibres mé- talliques ou des matières céramiques renforcées par des fibres de céramique, et dans chaque cas, un entou- rage en un matériau résistance à l'oxydation. La présente invention n'est toutefois pas limitée à des matériaux composés renforcés par des fi- bres mais permet également la réalisation de matériaux à couches, feuilles, bandes, lames, plaques, clos ou profilés en un matériau métallique constituant le ma- tériau mécaniquement le plus résistant et protégés par un matériau résistant à l'oxydation aux températures élevées pour obtenir une nouvelle structure de manière appropriée pour une durée de vie élevée des composants. On peut en particulier garnir ou renforcer un métal avec SiAlON-, MCrAlY-, marques déposées, des céramiques telles que A1203- ou Cr203-. La même remar- que s'applique pour St, Cr, Ni, Mo entouré de MgO de carbure de tungstène. Les alliages de nickel, les alliages de ti- tane peuvent être entourés extérieurement par du car- bure de titane, de siliciure de titane, d'oxyde de zirconium, d'une céramique ou analogue, et d'autres carbures, nitrures, siliciures, oxydes ou combinaisons peuvent également convenir dans la mesure o ces com- posants sont susceptibles de s'accrocher et que l'en- veloppe extérieure est résistante à l'oxydation et dense, le cas échéant, elle peut être lisse jusqu'à être brillante, par exemple une surface extérieure usinée par un faisceau laser. Le cas échéant, l'enve- loppe extérieure peut être vitreuse ou émaillée; elle peut présenter un gradient d'un matériau moins résis- tant à l'oxydation vers l'intérieur jusqu'au noyau, c'est-à-dire avoir une composition variable (en conti- nu) de l'extérieur vers l'intérieur, en passant d'un matériau céramique ou vitreux pour aboutir à un maté- riau métallique; le cas échéant, le noyau peut être métallique ou comprendre des fibres métalliques ou une combinaison de fibres métalliques. On peut également envisager une combinaison CFC ou une combinaison métal-verre renforcée de fibres B. R E V E N D I C A T I 0 N S 1') Pièce moulée en un matériau composé com- prenant des métaux et des non-métaux caractérisée par la structure suivante: a) un premier matériau (1) à résistance mécanique éle- vée mais faible résistance à l'oxydation aux tempé- ratures élevées, et b) un second matériau (2) à résistance mécanique fai- ble et résistance à l'oxydation élevée aux tempéra- tures élevées, c) ces matériaux sont prévus de façon que le premier matériau (1) soit totalement entouré du second ma- tériau (2) même si seulement une partie du volume de l'ensemble de la pièce moulée est remplie. 2-) Pièce moulée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est constituée par un pro- duit laminé qui comprend, sur une structure en san- dwich, le premier matériau (1) comme noyau et le se- cond matériau (2) comme enveloppe ou encore une alter- nance de ces deux matériaux. 3") Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que, pour des pièces d'encombrement relativement faible en un matériau (1), on choisit au moins leurs extensions (longueur, largeur, épaisseur) pour que dans la direc- tion de leurs extensions, elles se recouvrent au moins partiellement et que, par ailleurs, elles soient tou- jours séparées l'une de l'autre par du matériau (2)si- tué dans les intervalles. 4') Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la ou les pièces de matériau (1) sont entourées de matériau (2) par projection, pressage, coulée ou analogue. ) Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le maté- riau (1) est choisi dans le groupe formé par le carbo- ne, le graphite, le diamant synthétique et le matériau (2) est choisi dans le groupe formé par le silicium- métal, le dioxyde de silicium, le carbure de silicium, le nitrure-carbure de silicium, Si3N4, le verre ou une céramique vitreuse contenant du dioxyde de silicium. 6') Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisée en ce que le maté- riau (1) est choisi dans le groupe formé par un métal, un alliage métallique et le matériau (2).est choisi dans le groupe formé par une matière céramique, un cermet, du verre, de la céramique vitreuse, du métal- verre. 7") Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce qu'entre les deux matériaux, on a également un troisième matériau, en particulier sous la forme d'une couche de liaison. 8') Pièce moulée selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'à la place de la couche de liai- son, on a un traitement préalable, y compris un trai- tement qui évite que ne se fasse la liaison entre le matériau (1) et le matériau (2) ou inversement en des endroits ou dans des zones. 9') Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le maté- riau (1) se présente sous la forme d'une feuille, d'une nappe, d'un filet, d'un tissu, d'une structure, d'une éponge, d'une mousse, d'une structure en nid d'abeille, d'un empilage ou analogue et sa ou ses par- ties telles que les fils, les fibres des câbles, des bandes sont imprégnées du matériau (2) ou du matériau composé, sont infiltrées ou saturées avant d'être en- robées massivement de manière appropriée par le maté- riau (2). 10') Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle se présente sous la forme d'un produit semi-fini suscep- tible d'être coupé à la longueur, sans fin, par exem- ple une bande. 11') Pièce moulée selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'enrobage se fait sous une forme convenant pour une pièce finie ou pratiquement finie. 12') Pièce moulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée par son applica- tion comme pièce travaillant à température élevée dans la construction de machines ou d'appareils, dans des turbines à gaz, des turbo-moteurs ou des moteurs de fusées ou analogues, pour la propulsion d'engins vo- lants dans l'air et dans l'espace, en particulier pour des chambres de combustion, des rotors de turbine, des aubes directrices, des buses réglables ou autres piè- ces de sortie de gaz chaud de véhicule ou d'installa- tions fixes.