Brevet FR2643966A1 — publié le 19900907

Récipient haute pression L'invention concerne un récipient haute pression, par exemple un tube d'arme, ayant une paroi en un matériau composite renforcé de fibres. Les récipients haute pression connus ayant une paroi en matériau composite renforcé de fibres, se caractérisent de façon connue par: - résistance élevée - bonne orientation du sens des fibres dans le cas d'une mise en charge (technique du bobinage) - faible poids - bonnes possibilités de formage - bonne résistance à la corrosion Pour de tels récipients haute pression, on utilise surtout des matériaux composites renforcés de fibres dans une matrice de matière plastique, qui toutefois ne permet pas l'utilisation de ces récipients à des températures supérieures à 250'C. Pour pouvoir utiliser de tels récipients en matériaux composites renforcés de fibres dans le cas d'exigences élevées rencontrées par exemple dans des récipients de l'industrie chimique, dans des turbines à hautes températures ou dans des tubes d'arme, on a entrepris des recherches afin de pouvoir noyer les matériaux renforcés de fibres dans d'autres matériaux de matrice. Toutefois, jusqu'à maintenant, ces essais ont échoué avec les méthodes de fabrication conventionnelles en raison de la mauvaise mouillabilité des fibres, d'une éventuelle réaction chimique entre les fibres et la matrice et d'une incompatibilité thermique (par exemple recristallisation des fibres en raison de températures de fabrication trop élevées). Les tendances actuelles dans le domaine de la technique des explosifs montrent toutefois qu'avec des procédés techniques tels que 'compactage par explosion" et/ou "soudure par explosion", il est possible d'obtenir par voie pratiquement "froide" une liaison intime entre les fibres et la matrice. Le but de l'invention, en tenant compte de ces nouvelles technologies, est de procurer un récipient haute pression comportant une paroi en matériau composite renforcé de fibres qu'on puisse utiliser, tout en conservant les avantages, mentionnés ci-dessus, des matériaux composites renforcés de fibres, même à des températures très élevées, telles qu'elles peuvent se produire dans un tube d'arme. Ce but est atteint grace à un récipient haute u10 pression de l'invention ayant une paroi en matériau composite renforcé de fibres, caractérisé en ce que la couche de matériau composite renforcé de fibres est constituée par une poudre céramique et/ou métallique en tant que matrice et par un matériau fibreux et qu'elle est fabriquée par compactage par explosion. L'invention réunit les avantages des récipients haute pression connus en matériaux composites renforcés de fibres et les avantages supplémentaires, à savoir: - stabilité thermique élevée - faible sensibilité aux chocs mécaniques et thermiques - faible absorption de l'humidité. En outre, l'utilisation conforme à l'invention de matrice métallique et/ou céramique dans le matériau composite renforcé de fibres permet, selon le cas d'utilisation souhaité pour le récipient haute pression, d'installer dans sa paroi une couche en matériau fibreux renforcé de fibres électriquement conductrice ou isolante. L'invention va être expliquée ci-après à l'aide d'exemples de réalisation en se référant au dessin, sur lequel: la figure 1 est une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation de l'invention pour un tube d'arme; la figure 2 est une vue en coupe d'un second exemple de réalisation de l'invention pour un tube d'arme; la figure 3 est une vue en coupe d'un troisième exemple de réalisation de l'invention pour une paroi de récipient haute pression/haute température; la figure 4 est une vue en coupe d'un quatrième exemple de réalisation de l'invention pour une paroi de récipient à haute capacité de charge; et la figure 5 est une vue en coupe d'un cinquième exemple de réalisation pour une paroi de récipient à haute capacité de charge Les réalisations de l'invention représentées sur les figures 1 et 2 représentent des parois ,20 pour des tubes d'arme, afin d'illustrer, sur cet exemple d'un récipient haute pression pouvant supporter des charges extrêmes en ce qui concerne la pression et la température, les avantages de la paroi de l'invention. Pour se limiter aux caractéristiques de l'invention, on n'a pas représenté les tubes d'arme eux-mêmes pour des raisons de simplification, étant donné que l'homme de l'art sait la façon dont ceux-ci sont constitués et dont les portions de paroi représentées se continuent respectivement sur la longueur du tube. On a représenté l'axe de l'âme du tube en tant qu'axe longitudinal central, mals il ne porte pas de référence. La paroi du tube d'arme 10 représentée sur la figure 1 comporte un revêtement intérieur 11 résistant à l'usure et à la température, qui se caractérise par des propriétés d'isolation thermique. Ce revêtement intérieur 11 est constitué, de préférence, par une poudre métal- céramique, en utilisant par exemple une poudre de tantale, et il est fabriqué selon le procédé du compactage par explosion. Une couche référencée en 12 est une couche dure résistant à la température ayant une conductibilité thermique plus mauvaise que l'acide pur, et elle est constituée, de préférence également par un mélange de poudre céramique-métal. Une autre couche référencée en 13 se caractérise par une bonne conductibilité thermique et elle est constituée de préférence de composés à base de tungstène. Une couche s'y raccordant, référencée en 14, est constituée par un matériau composite renforcé de fibres; ici une fibre longue orientée, extrêmement résistance (fibre sans fin selon la technique d'enroulement) est noyée dans une matrice métallique ayant une bonne conductlblllté thermique. De préférence, le matériau composite renforcé de fibres de la couche 14 est constitué par une fibre de carbone dans une matrice constituée d'une poudre d'un alliage de cuivre. La finition extérieure de la paroi du tube d'arme 10 est constituée par une couche en acier à canon hautement résistant, par exemple 35 NiCrMoV 12.10. De préférence, toutes les couches de la paroi du tube d'arme 10 sont compactées par explosion dans une matrice non représentée et elles sont soudées ensemble par explosion. Lorsqu'on utilise ce procédé, il en résulte comme avantage supplémentaire, un auto-frettage de la couche 15 en acier à canon provoqué par la technique par explosion. L'avantage proprement dit de la paroi du tube d'arme 10 représentée sur la figure 1 consiste en ce que, d'une part, la couche porteuse 14 en matériau composite renforcé de fibres peut encaisser surtout des contraintes du tube d'arme tangentielles en raison de l'introduction de fibres longues enroulées croisées de façon appropriée, et en ce que, d'autre part, la couche 14 en matériau composite renforcé de fibres est protégée par une deuxième couche 12 résistante à la température contre les pointes de température élevées qui se produisent à l'intérieur du tube d'arme lors du tir. Le second exemple de réalisation d'une paroi de tube d'arme 20 selon l'invention, représenté sur la figure 2, est constitué par une première couche 21 qui sert de revêtement intérieur résistant à l'usure et à la température, de préférence en chrome ou tantale, ayant une bonne conductibilité thermique. On prévoit comme deuxième couche 22 s'y raccordant, un matériau composite renforcé de fibres qui est constitué par. une fibre courte de haute résistance dans une matrice métallique ayant une bonne conductibilité thermique et un point de fusion élevé, par exemple des alliages de tungstène. Une troisième couche 23 s'y raccordant est constituée par une fibre longue orientée, de haute résistahce, disposée de préférence également selon la- technique de l'enroulement croisé, dans une matrice métallique de bonne conductibilité thermique, par exemple une fibre de carbone dans une matrice de cuivre. Une quatrième couche 24 est en acier à canon hautement résistant, par exemple 45 NiCrMoV 14.4. On prévoit comme cinquième couche 25, dans cet exemple de réalisation, un revêtement extérieur de tube ayant une bonne réflexion de la chaleur, lequel est constitué par exemple par un vernis noir ou par une couche métallique noire. Dans le deuxième exemple de réalisation représenté sur la figure 2, on peut, comme dans le premier exemple représenté sur la figure 1, compacter et souder par explosion la deuxième couche 22, ou 12 la troisième couche 23, ou 13 et la quatrième couche 24, ou 14, en une seule opération, en utilisant la technique par explosion; ce faisant la couche 24 d'acier à canon peut être auto-frettée par l'explosion. Le revêtement intérieur résistant à l'usure et à la température 21 peut également être appliqué dans une opération à la suite, par exemple par galvanisation. Par rapport aux tubes d'arme en acier à canon usuel, on-peut réaliser avec les parois de tubes d'arme de l'invention représentées sur les figures 1 et 2, de notables économies en ce qui concerne l'épaisseur de paroi nécessaire et donc le poids du tube d'arme. On réduit ainsi les vibrations du tube d'arme et le moment de déséquilibre sur le support du tube d'arme, ce qui, dans l'ensemble améliore la précision du tir.. En outre, avec les parois de tube d'arme de l'invention, et en choisissant les matériaux appropriés, on constate des allongements plus faibles ou des élargissements élastiques plus faibles du tube d'arme lors du tir. Au cas o une isolation électrique est nécessaire entre l'intérieur et l'extérieur du tube d'arme, par exemple pour les tubes de canons électromagnétiques ou électrothermiques, on peut la réaliser, le cas échéant, de façon simple en modifiant la combinaison des couches de matériau composite renforcé de fibres 14 (figure 1), ou 22 ou 23 (figure 2). Dans ces cas, on utilise par exemple des fibres de verre dans une matrice en céramique. Les exemples de réalisation des parois 30, 40 de récipients haute pression selon l'invention, représentés sur les figures 3 et 4, sont une illustration supplémentaire de l'invention et montrent des couches 32, 42, en matériau composite renforcé de fibres, dans une position initiale avant un compactage par explosion. Après compactage par explosion, ces couches 32, 42 présentent des propriétés anisotropes. Dans la couche 32 en matériau composite renforcé de fibres, représentée sur la figure 3, 33, désigne une fibre longue noyée dans une matrice en poudre référencée en 34. La fibre 33, par exemple une fibre de carbone, est de préférence, disposée très serrée par enroulement croisé en plusieurs couches, ce qui permet, pour la charge à haute pression prévue d'une paroi de récipient haute pression ainsi réalisée, d'obtenir une grande résistance dans les principales directions des contraintes. Pour d'autres cas d'utilisation, on a envisagé la couche 42 en matériau composite renforcé de fibres sur la figure 4, dans laquelle sont insérées entre les couches individuelles d'une fibre longue 44 enroulée, des feuilles métalliques 43, ces feuilles 43 pouvant être constituées du même matériau d'une matrice en poudre 45. En effectuant ensuite un compactage par explosion, on peut obtenir une structure homogène du matériau de la matrice. Même si, lors du compactage par explosion, les fibres longues 33, ou 44 devaient se rompre, les propriétés anisotropes des matériaux composites des couches 32, ou 42, sont conservées. Par contre, la figure 5 montre une paroi pour récipient haute pression 50 selon l'invention, comportant une couche en matériau composite renforcé de fibres 52 pour laquelle on souhaite des propriétés lsotropes, avant un compactage par explosion. Dans ce cas, des fibres courtes 54, par exemple des fibres de verre, sont noyées dans une matrice 53 en métal ou céramique pulvérulent. Une telle disposition convient particulièrement si on utilise de la céramique pulvérulente pour fabriquer une couche électriquement isolante. Revendications 1. - Récipient haute pression comportant une paroi en matériau composite renforcé de fibres, caractérisé en ce que la couche de matériau composite renforcé de fibres (14,22,23,32,42,52) est constituée par une poudre céramique et/ou métallique (34,45,53) en tant que matrice, et par un matériau en fibres (33,44,54) et qu'elle est fabriquée au moyen d'un compactage par explosion. 2. - Récipient haute pression selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise le matériau en fibres sous forme de fibres longues enroulées (33,44) ou sous forme de fibres courtes (54). 3. - Récipient haute pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que sa paroi (20) comporte plusieurs couches de matériaux composites renforcés de fibres (22,23). 4. - Récipient haute pression selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une des couches (15,24) est en acier à canon hautement résistant. 5. - Récipient haute pression selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche (15,24) en acier à canon hautement résistant, est soumise pendant le compactage par explosion à des contraintes propres favorables (auto-frettage) qui améliorent nettement la solidité de l'ensemble de la structure. b. - Récipient haute pression selon, la revendication 5, caractérisé en ce que sa paroi (10) est constituée de plusieurs couches qui sont combinées, en ce qui concerne la capacité thermique et/ou la conductibilité thermique, de telle sorte qu'aucune des couches ne subit de contrainte thermique excessive. 7. - Récipient haute pression selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on utilise comme matériau en fibres des fibres de carbone ou des fibres de verre.