Brevet FR2659887A1 — publié le 19910927

-1 La présente invention concerne les structures annu- laires en général constituées d'une matrice métallique et d'un renforcement par filaments Plus particulièrement, elle est relative à des structures annulaires présentant une matrice de base en titane et renforcées par des filaments en carbure de silicium, ainsi qu'au dimensionnement précis des cotes internes de structures de ce type à une valeur prédéterminée dans des limites très petites. La préparation de clinquants à base d'alliage de titane, de feuilles, et d'articles similaires et de struc- tures renforcées dans lesquels des fibres en carbure de silicium sont encastrées dans un alliage à base de titane est décrite dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 4 775 547; 4 782 884; 4 786 566; 4 805 294; 4 805 833 et 4 838 337, qu'on incorpore ici à titre de référence. La préparation des composites décrits dans ces brevets est l'objet d'études poussées avec l'objectif que les composites aient des caractéristiques de résistance mécanique très élevées par rapport à leur poids L'une des caractéris- tiques qu'on souhaite plus particulièrement obtenir est la résistance élevée à la traction pouvant être conférée à la structure par les fibres ou les filaments en carbure de silicium Les caractéristiques de traction des structures sont liées à la règle des mélanges Selon cette règle, la proportion de la caractéristique, par exemple de la caracté- -2- ristique de résistance à la traction, qui est attribuée au filament, par opposition à la matrice, est déterminée par le pourcentage en volume du filament présent dans la structure et par la résistance à la traction du filament lui-même. D'une façon similaire, la proportion de la même caractéris- tique de résistance à la traction pouvant être attribuée à la matrice est déterminée par le volume en pourcent de la matrice présent dans la structure et la résistance à la traction de la matrice elle-même. Avant la mise au point des procédés décrits dans les brevets mentionnés ci-dessus, on a préparé de telles struc- tures en plaçant les filaments de renforcement entre des clinquants en alliage à base d'aluminium et en comprimant les empilages de couches alternées d'alliage et de filaments de renforcement jusqu'à formation d'une structure composite. Cependant, cette pratique de la technique antérieure s'est avérée moins que satisfaisante lorsqu'on a essayé de former des structures annulaires dans lesquelles le filament cons- titue un renforcement interne pour l'ensemble de l'anneau. Les structures exposées dans les brevets mentionnés ci-dessus et les procédés avec lesquels on les forme sont une grande amélioration de la pratique antérieure consistant à former par compression des sandwiches d'une matrice et de filaments de renforcement. On a découvert ultérieurement que, alors que les structures préparées de la façon décrite dans les brevets précédents présentent des propriétés qui constituent une grande amélioration des structures antérieures, la charge limite de rupture potentiellement très élevée qu'on obtient pour ces structures ne correspond pas aux valeurs théorique- ment possibles L'essai des composites formés conformément aux procédés décrits dans les brevets précédents a montré que, bien que les valeurs du module concordent généralement avec la règle des mélanges, la charge limite de rupture est généralement bien inférieure aux valeurs prédites par les 3 - propriétés sous-jacentes des ingrédients individuels du composite Un certain nombre de demandes de brevet ont été déposées qui concernent la solution du problème soulevé par les propriétés à la traction inférieures aux valeurs atten- dues et un certain nombre de ces demandes sont en attente. Celles-ci comprennent les demandes de brevet des Etats-Unis d'Amérique no 445 203, 459 894, 455 041 et 453048 On incorpore ici les textes de ces demandes à titre de référence. L'une des structures qui s'est avérée particulièrement souhaitable dans l'utilisation de la technologie de ces brevets cités en référence est un article annulaire présen- tant une matrice métallique et comportant un renforcement par filaments en carbure de silicium s'étendant de nombreuses fois autour de l'anneau De telles structures annulaires présentent des propriétés à la traction très élevées par rapport à leur poids, en particulier par comparaison aux structures constituées entièrement d'un métal Cependant, il s'est avéré très difficile, en particulier à cause des températures très élevées qu'on doit utiliser dans la formation de ces articles, de produire une structure annu- laire qui soit dimensionnellement très précise quant à ses cotes internes De telles structures doivent être précises en matière de cotes internes pour pouvoir être utilisées très efficacement dans des applications finales car les structures constituent souvent une partie d'une structure plus complexe et à cet effet sont montées sur un ou plusieurs éléments de forme circulaire de façon à servir d'anneau de renforcement. L'une des structures ainsi formées a son filament de renforcement enroulé de nombreuses fois, et dans les nom- breuses couches entourant la circonférence se trouve une structure annulaire renforcée On peut utilisr l'anneau renforcé, par exemple, comme anneau de renforcement pour les aubes d'un disque de compresseur d'un moteur à réaction Pour maintenir les aubes dans un étage du compresseur d'un moteur -4 - à turbine, il faut un grand nombre de couches des filaments de renforcement On a constaté qu'il est très difficile de continuer à ajouter de plus en plus de couches de renforce- ment par filaments à une structure annulaire à cause des coefficients de dilatation thermique différents et d'autres facteurs Une façon dans laquelle ce problème a été résolu consiste à former une série d'anneaux concentriques qui sont alors assemblés pour fournir une structure annulaire renfor- cée présentant plus de 100 couches de renforcement De telles structures annulaires ont un diamètre important, de l'ordre de 30 cm ou de plusieurs fois 30 cm et doivent néanmoins s'emboîter dans des tolérances très étroites, de l'ordre seulement de quelques centièmes de millimètre Il est évident que lorsque de telles structures sont dimensionnellement hors des tolérances, il est très difficile d'exécuter cet assem- blage de plusieurs anneaux concentriques pour obtenir une seule structure annulaire. Par conséquent, la présente invention a pour objet un procédé dans lequel un anneau renforcé par des fibres, dimensionnellement hors spécification, comportant une matrice métallique, peut être amené à satisfaire la spécification. La présente invention a pour autre objet un procédé pour former une structure annulaire à matrice renforcée présentant des cotes internes qui répondent à une spécifica- tion prédéterminée ou sont très proches de celle-ci. La présente invention a encore pour objet un anneau en titane renforcé par du carbure de silicium d'un diamètre de plusieurs centimètres à plusieurs dizaines de centimètres, ayant des cotes internes qui sont précises à plus ou moins quelques centièmes de millimètre. Dans l'un de leurs aspects les plus larges, on peut atteindre les objets de la présente invention, en fournissant une structure annulaire renforcée ayant un renforcement en filaments en carbure de silicium encastré dans une matrice déposée par projection d'un plasma o les cotes intérieures - de l'anneau sont légèrement inférieures aux valeurs spéci- fiées pour l'anneau L'anneau est ensuite placé sur un cylindre en métal ayant un coefficient de dilatation thermi- que connu qui est sensiblement supérieur à celui de la structure renforcée L'anneau et le cylindre qu'il contient sont alors portés à une température supérieure à la tempéra- ture de relaxation de l'anneau à laquelle le cylindre présente un diamètre supérieur au diamètre intérieur de la structure annulaire L'anneau et le cylindre sont alors refroidis jusqu'à la température ambiante et séparés l'un de l'autre On a constaté que l'anneau refroidi peut être enlevé du cylindre plus facilement que si on le plaçait sur le cylindre car le diamètre intérieur de l'anneau a été agrandi par le chauffage. On a observé que l'agrandissement des cotes internes d'une structure annulaire, obtenu de cette façon, modifie réellement l'agencement du matériau de la matrice par rapport au renforcement Ainsi, on a observé qu'il y a un tassage réel de la partie interne de la structure annulaire à la suite du chauffage et de la dilatation du cylindre dans la manière venant d'être décrite L'effet net est qu'une partie du matériau de la matrice est entraînée vers l'extérieur dans la direction des filaments de renforcement et qu'il peut y avoir un mouvement réel du matériau de la matrice entre les filaments Le résultat d'un tel mouvement peut être de soumettre à une traction le renforcement par filaments et de mettre en compression le matériau de la matrice à la partie intérieure de la structure annulaire On préfère que le matériau de renforcement par filaments soit soumis à une traction et que le matériau de la matrice subisse une compression car cela permet d'améliorer le comportement d'ensemble de la structure annulaire comme anneau de retenue dans les structures de moteurs d'avion. L'une des raisons pour lesquelles il est important de dimensionner avec précision la structure annulaire est de 6 - permettre son montage dans une structure plus grande Une telle structure est un ensemble d'anneaux concentriques ou emboîtés Il est possible d'emboîter des anneaux et de provoquer leur liaison pour constituer une seule structure annulaire au moyen d'un traitement classique par chauffage et compression isostatique Cependant, pour que le traitement par chauffage et compression isostatique soit efficace dans la formation d'un lien métallurgique entre deux anneaux emboîtés ou plus, ceux-ci doivent être assemblés concentri- quement de façon que la surface extérieure d'un anneau intérieur ne soit séparée que d'une distance de 0,08 mm de la surface intérieure de l'anneau intérieur suivant L'obtention de tolérances aussi étroites pour certaines structures annulaires renforcées n'est pas facile, en admettant qu'on y parvienne, en procédant à un usinage classique. Une structure ne pouvant être usinée à de telles tolérances est un anneau ne comportant qu'une épaisseur ou que quelques épaisseurs de renforcement Le problème dans le cas de ces anneaux est qu'on ne peut les fixer ou les maintenir de façon convenable pour un usinage classique sans qu'ils se cambrent ou se déforment pendant l'opération d'usinage Le résultat est que l'anneau peut paraître rond pendant l'usinage Cependant, il perd sa rotondité et présente une forme ovale dès qu'il est libéré du mandrin utilisé pour sa fixation pendant l'usinage Le présent procédé permet la modification des cotes internes d'un tel anneau de faible épaisseur sans perte de sa rotondité finale. Un autre cas dans lequel un usinage classique ne convient également pas concerne une structure annulaire qui est ovale ou elliptique ou de toute façon n'est pas véritablement ronde L'usinage classique n'est pas prévu pour procéder à l'usinage des cotes internes de structures de ce type qui ne sont pas rondes, mais le procédé de la présente invention permet de modifier de manière uniforme les dimen- sions de ces structures sans altérer les formes non rondes. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en élévation de côté d'un cylindre et d'un anneau avant leur assemblage, et figure 2, une vue en élévation de côté semblable à celle de la figure 1, mais représentant le cylindre et l'anneau après assemblage. On utilise un procédé de projection de plasma à haute fréquence, basse pression, pour la fabrication d'éléments annulaires en alliage à base de titane, à couches multiples, dans lesquels l'alliage à base de titane sert de matrice dans une structure composite contenant des filaments de renforce- ment Les filaments en carbure de silicium constituent les filaments principaux présentant de l'intérêt pour ces struc- tures composites renforcées L'alliage à base de titane peut être un titane classique tel que Ti-64 ( 6 % en poids de titane, 4 % en poids d'aluminium, vanadium), Ti-6242 ( 6 % en poids de titane, 2 % en poids d'aluminium, 4 % en poids d'étain, 2 % en poids de zirconium, molybdène), Ti-1421 ( 14 % en poids de titane 21 % en poids d'aluminium, niobium) ou peut être un aluminure de titane Un tel aluminure peut être un gamma aluminure contenant 48 atomes % de titane, 48 atomes % d'aluminium, 2 atomes % de niobium et 2 atomes % de chrome par exemple, ou un autre gamma' aluminure ayant une ductilité appréciable, supérieure à 1 %. On fabrique les éléments de l'anneau composite par projection en plasma d'une couche de 3 mm d'épaisseur de l'alliage de la matrice sur un cylindre en acier doux Le mandrin en acier est enlevé de la couche d'alliage de la matrice par dissolution chimique dans une solution d'acide nitrique ou par suppression thermique du lien en utilisant la différence des coefficients de dilatation thermique entre la matrice en alliage de titane et l'acier doux L'anneau en alliage de titane "brut de projection" est alors enroulé avec un filament continu en Si C lors d'une opération ultérieure de _ 8 _ bobinage telle que décrite dans les brevets dont il a été question précédemment Le cylindre bobiné avec le filament est alors l'objet d'une nouvelle projection avec un alliage de matrice à base de titane de manière à recouvrir complète- ment le filament On répète les étapes de bobinage et de projection jusqu'à obtention du nombre désiré d'épaisseurs sur l'élément annulaire composite. Pour améliorer l'espacement et l'alignement des fila- ments et la liaison entre couches, la couche brute de projection peut être usinée ou rendue lisse d'une autre manière. Comme le procédé de projection en plasma HF, basse pression, se traduit par une densité brute de projection inférieure à la valeur théorique, il est nécessaire de densifier l'anneau composite par chauffage et compression isostatique Ce procédé de chauffage et de compression isostatique constitue une étape classique du traitement Un changement dimensionnel de l'anneau pendant le chauffage et la compression isostatique peut conduire à une cote interne incertaine pour la structure de l'anneau. La structure composite devant être formée comprend jusqu'à 150 couches Une structure avec environ 150 couches de composite est une structure nouvelle qu'on considère souhaitable pour emploi, par exemple, comme anneau de renforcement dans les structures des compresseurs des moteurs d'avion Une façon d'obtenir ce nombre de couches est "d'emboîter" des éléments multiples d'anneau composite qui sont fabriqués séparément A la suite de la fabrication séparée et de la densification séparée par chauffage et compression isostatique, de tels éléments sont "emboités" pour former un ensemble annulaire qui peut être lié par chauffage et compression isostatique pour constituer un anneau composite présentant le nombre d'épaisseurs souhaité. S'agissant des éléments annulaires individuels qui sont assemblés pour constituer un composite emboîté, un 9 - élément individuel d'environ 20 couches sera exposé à 22-23 cycles thermiques, associés au procédé de projection de plasma HF De plus, les cotes internes de l'anneau peuvent être modifiées en fonction de ses dimensions initiales et aussi du degré de changement dû à la consolidation par chauffage et compression isostatique de l'anneau Pour lier par diffusion les éléments annulaires emboîtés, il faut que le diamètre extérieur de l'anneau intérieur soit d'environ 0,08 à 0,1 mm inférieur au diamètre intérieur de l'anneau extérieur Ces tolérances étroites des pièces qui peuvent avoir un diamètre de plusieurs dizaines de centimètres sont très difficiles à obtenir si les pièces d'origine sont dimensionnellement hors spécification Il existe un besoin pour un procédé permettant de conférer à des anneaux déjà formés les dimensions désirées nécessaires ou de rétablir les cotes des anneaux composites à matrice métallique avant leur emboîtement. On a découvert qu'un anneau composite qui présente des cotes internes trop petites peut être agrandi en faisant appel à un simple traitement thermique en présence d'un mandrin rond massif tel que le mandrin 12 de la figure 1, ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du composite On a constaté que lors du traitement thermique au-dessus de la température de relaxation des contraintes de l'alliage de la matrice, le mandrin dont le coefficient de dilatation thermique est élevé se dilate à un taux supérieur à celui du composite et par conséquent provoque une action de poussée contre le matériau de la matrice du composite Le diamètre intérieur du composite est ainsi augmenté alors que les contraintes internes de l'al- liage de la matrice sont libérées à la température élevée. Cela est exécuté de la manière représentée en figure 2. Un facteur dont dépend la réussite du procédé de la présente invention est que la température de relaxation des contraintes des renforcements par filament utilisés dans les - composites à matrice métallique soit très supérieure à celle de l'alliage de la matrice En conséquence, on pense qu'on peut modifier les contraintes internes du composite en utilisant le traitement qu'on a mis au point On pense que les contraintes de traction relativement élevées s'exerçant dans l'alliage de la matrice et les contraintes de compres- sion se produisant dans le filament à la suite de la différence de dilatation thermique entre la matrice et le renforcement peuvent être réduites si on maintient les filaments à un état de traction alors que le composite est lui-même maintenu à la température de relaxation des con- traintes de la matrice ou a une température supérieure à celle-ci Pendant le refroidissement à partir de la tempéra- ture du traitement thermique, les contraintes des fibres changeront progressivement pour passer de contraintes de traction à des contraintes de compression en fonction du comportement relatif de la matrice et des fibres en matière de température pour les contraintes et de dilatation thermi- que. En outre, on pense que le maintien des fibres à l'état de traction, et de la matrice à l'état de compression, se traduit par de meilleurs propriétés du composite, en particu- lier lors de l'utilisation d'un alliage fragile pour la matrice On pense qu'une contrainte de compression s'exerçant dans la matrice provoque l'augmentation de l'allongement jusqu'à la rupture de la matrice et du composite Le traitement thermique qu'on décrit ici semble produire l'état désiré pour les contraintes dans le composite. On donne l'exemple suivant pour montrer comment le procédé de la présente invention peut être exécuté et pour illustrer les types de structures qu'on obtient ainsi. EXEMPLE: On fabrique un anneau en composite d'une largeur de cm, d'un diamètre de 10 cm, en utilisant un alliage Ti-1421 comme alliage de la matrice. il - L'alliage Ti-1421 contient 14 atomes % d'aluminium, 21 atomes % de niobium, le reste étant du titane Le renforce- ment pour la matrice à base de titane est constitué de filaments en carbure de silicium Ces filaments sont fabri- qués par la société Textron Corporation sous le nom de filaments SCS-6. On utilise un cylindre en acier doux d'un diamètre de cm comme mandrin On forme un revêtement de Al 203 d'une épaisseur de 0,1 mm sur le mandrin en acier doux par projection en plasma de l'Al 203 dans l'air On projette en plasma un manchon sous forme d'une couche de l'alliage de la matrice d'une épaisseur de 3 mm sur le cylindre en acier doux revêtu de A 1203 La couche de 3 mm de l'alliage de la matrice se sépare spontanément de la surface du mandrin revêtu de A 1203 par refroidissement. On usine alors l'anneau à matrice en alliage de titane "brut de projection" pour lui conférer une surface lisse On rainure alors l'anneau avec un filet hélicoïdal continu d'une profondeur d'environ 0,08 mm pour permettre la mise en place précise du filament Si C lors d'une opération ultérieure de bobinage On enroule un filament continu de Si C dans les rainures hélicoïdales et l'ancre à chaque extrémité Le cylindre bobiné avec le filament est alors soumis à une projection supplémentaire de l'alliage Ti-1421 et on usine l'alliage et le dépôt d'alliage projeté en plasma pour obtenir une surface lisse De nouveau, on rainure la surface lisse avec un filet hélicoïdal continu d'une profondeur d'environ 0,08 mm pour permettre là encore la mise en place précise du filament Si C continu On bobine le filament Si C dans les rainures; on l'ancre de nouveau à chaque extrémité, et on procède à une nouvelle projection avec l'alliage Ti- 1421. Lors de la fabrication de la seconde épaisseur, on a accidentellement surchauffé l'anneau et celui-ci a subi une déformation considérable et une certaine fusion à l'endroit 12 - o il était en contact avec le mandrin en acier On a découpé l'anneau en composite à deux épaisseurs afin de séparer du composite endommagé plusieurs anneaux composites à deux épaisseurs d'une largeur de 19 mm. On a sélectionné l'un de ces anneaux Celui-ci était le moins endommagé des anneaux On l'a placé sur un mandrin massif en acier inoxidable dont le diamètre intérieur était inférieur d'environ lmm à celui de la structure de l'anneau. Par suite de l'endommagement, l'anneau avait initialement un manque de rotondité de 4 mm On a chauffé le mandrin et l'anneau à une température d'environ 9000 C pendant environ 15 minutes, puis on les a refroidis sous vide jusqu'à la température ambiante On a alors constaté que l'anneau était véritablement rond à plus ou moins 0,08 mm à la suite de ce traitement thermique. On a usiné un second mandrin massif en acier inoxyda- ble 304 L pour lui conférer un diamètre extérieur qui était inférieur de 0,13 mm au diamètre intérieur de l'anneau en composite traité thermiquement L'anneau en composite s'est monté étroitement autour du mandrin en acier inoxydable. L'acier inoxydable du mandrin avait un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la structure de l'anneau en composite On a chauffé à 9000 C le composite et le mandrin et on les a maintenus à cette température pendant 15 minutes, puis on les a refroidis jusqu'à la température ambiante dans un four sous vide Le diamètre intérieur du second anneau en composite s'est avéré être plus grand de 0,5 mm qu'il l'était avant le second traitement thermique On a constaté qu'il était rond à plus ou moins 0,05 mm Le second traitement thermique a eu pour effet d'accroître le diamètre intérieur du composite La dissolution chimique de l'alliage de la matrice dans une solution acide a révélé que les fibres en Si C n'étaient pas rompues par le second traitement thermique, se traduisant par l'extension du second anneau en composite coupé. 13 _ Le technicien remarquera que, sur la base des indica- tions données précédemment, il est possible d'ajuster les cotes internes d'une structure annulaire renforcée par des filaments pour lui conférer des valeurs précises en employant le procédé de la présente invention Cette aptitude à ajuster avec précision les cotes internes peut s'appliquer à des structures annulaires qui ne peuvent l'être par une opération d'usinage classique pour diverses raisons. Par exemple, une structure annulaire constituée d'une seule épaisseur de renforcement ou de seulement quelques épaisseurs ne peut être usinée de manière efficace par une opération classique Cependant, comme on l'a plus particu- lièrement illustré dans l'exemple précédent, on peut effec- tivement ajuster les cotes internes de cette structure en faisant appel au procédé de la présente invention. De plus, dans le cas o la structure annulaire est ovale ou a une forme non ronde, le présent procédé, utilisant un mandrin de forme appropriée, permet de modifier effecti- vement les cotes internes de l'anneau bien qu'un tel ajustement ne soit pas possible lorsqu'on emploie des opérations classiques d'usinage. 14 - REVENDICATIONS 1 Procédé pour augmenter le diamètre interne d'une structure annulaire en composite renforcée par des fibres pour lui conférer une cote précise, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir une structure annulaire ( 10) en composite renforcée par des fibres, comportant une matrice métallique et un renforcement fibreux encastré dans la matrice, fournir un mandrin massif ( 12) présentant un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre intérieur de la structure annulaire et ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la structure annulaire, insérer le mandrin dans l'ouverture de la structure annulaire, chauffer le mandrin et la structure annulaire à une température à laquelle les cotes externes du mandrin sont supérieures aux cotes internes de la structure annulaire, et refroidir le mandrin et la structure annulaire, et enlever le mandrin de cette structure. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal de la matrice est un métal à base de titane. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal de la matrice est un aluminure de titane ayant une ductilité supérieure à 1 %. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement par des filaments est un renforcement céramique. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement par des filaments est constitué de filaments en carbure de silicium. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement par des filaments est constitué d'un simple filament en oxyde d'aluminium cristallin. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est le Ti-64. - 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est le Ti-6242. 9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est le Ti-1421. 10 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est un aluminure de titane répondant à la formule Ti 48 A 48 Nb 2 Co 2 '