Brevet FR2659585A1 — publié le 19910920

La présente invention concerne les structures annu- laires en général, constituées d'une matrice métallique et d'un renforcement par filaments Plus particulièrement, l'invention est relative à des structures annulaires présen- tant une matrice à base de titane et renforcées par des filaments en carbure de silicium et à la mise en forme de telles structures pour leur conférer une configuration interne vraiment ronde dans de très petites tolérances. On décrit la préparation de clinquants, de feuilles et d'articles similaires à base d'alliage de titane et de structures renforcées, dans lesquels des fibres en carbure de silicium sont encastrées dans un alliage à base de titane 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 838337, qu'on incorpore ici à titre de référence La préparation de composites comme cela est décrit dans ces brevets a été l'objet d'études poussées pour que les composites aient des caractéristiques de résistance mécanique très élevées par rapport à leur poids L'une des caractéristiques qu'on souhaite plus particulièrement concerne des propriétés éle- vées à la traction qu'on confère aux structures grâce aux caractéristiques de traction élevées des fibres ou des 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 caractéristique de traction, qu'on attribue aufilament, 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 caractéristique de traction qu'on attribue à la matrice est déterminée par le volume en pourcent de la matrice présent dans la structure et la caractéristique de traction de la matrice elle-même. Avant la mise au point des procédés qu'on décrit dans les brevets mentionnés ci-dessus, on préparait de telles structures en plaçant les filaments de renforcement entre des clinquants d'alliage à base d'aluminium et en comprimant les empilages de couches alternées d'alliage et de filament de renforcement jusqu'à la formation d'une structure composite. Cependant, on a constaté que cette pratique de la technique antérieure était moins que satisfaisante lorsqu'on faisait des tentatives pour former des structures annulaires dans lesquelles le filament était un renforcement interne pour l'ensemble de l'anneau. Les structures indiquées dans les brevets mentionnés ci-dessus et les procédés permettant leur formation consti- tuent un grande amélioration de la pratique antérieure de formation de sandwiches de matrice et de filament de renforcement par compression. On a trouvé ultérieurement que, alors que les struc- tures préparées comme cela est décrit dans les brevets mentionnés cidessus, présentent des caractéristiques qui sont une nette amélioration des structures antérieures, la tension de rupture potentiellement très élevée qu'on obtenait avec ces structures n'atteignait pas les valeurs théorique- ment possibles Le test de composites formés en conformité avec les procédés indiqués dans les brevets ci-dessus a montré que, bien que les valeurs du module concordent généralement bien avec la règle des prévisions des mélanges, la tension de rupture est généralement très inférieure à la valeur prédite par les caractéristiques sous-jacentes des ingrédients individuels du composite Un certain nombre de demandes de brevets ont été déposées qui ont pour objet de surmonter le problème des caractéristiques de traction inférieures aux valeurs attendues et un certain nombre de ces demandes sont en attente Celles-ci comprennent les numéros de série des demandes américaines 445 203, 459 894, 455 041 et 455048 On incorpore ici à titre de référence les textes de ces demandes. L'une des structures qui s'est avérée particulièrement souhaitable dans l'emploi de la technologie de ces brevets de référence est un article annulaire présentant une matrice métallique et comportant un renforcement par filaments en carbure de silicium s'étendant de nombreuses fois autour de l'ensemble de l'anneau De telles structures annulaires présentent des caractéristiques à la traction très élevées par rapport à leur poids, en particulier lorsqu'on les compare à des structures constituées entièrement de métal. Ces structures ont un diamètre atteignant généralement plusieurs dizaines de décimètres. On a constaté qu'il était difficile de les fabriquer, en particulier à cause des températures très élevées qu'on doit utiliser pour produire ces articles et obtenir une structure annulaire qui soit véritablement ronde dans ses cotes internes Les cotes internes doivent aboutir à des structures véritablement rondes de façon à pouvoir les utiliser plus efficacement dans les applications finales car elles constituent souvent une partie d'une structure plus complexe et à cet effet sont montées sur un ou plusieurs éléments de forme circulaire de manière à servir d'anneau de renforcement. On peut utiliser l'anneau renforcé, par exemple, comme partie d'un disque de compresseur en composite à matrice métallique d'un moteur à réaction Dans le but de renforcer -4- le disque dans un étage de compresseur d'un moteur à réaction, il faut un grand nombre de couches de filaments de renforcement On a constaté qu'il est très difficile de continuer à ajouter de plus en plus de couches de renforce- ment à filaments à une structure annulaire car il peut se produire un rétrécissement du diamètre de l'anneau lors de la densification par chauffage et compression isostatique Une façon de résoudre ce problème consiste à former une série d'anneaux concentriques qui sont alors assemblés pour former une structure annulaire renforcée présentant plus de 100 couches de renforcement De telles structures annulaires ont un diamètre élevé, de l'ordre de plusieurs décimètres et doivent néanmoins être emboîtées les unes dans les autres avec des tolérances très étoites de seulement, quelques centièmes de millimètre Naturellement, lorsque de telles structures ne sont pas rondes, il est très difficile de procéder à tel assemblage de plusieurs anneaux concentriques pour former une seule structure annulaire. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé dans lequel un anneau ovalisé renforcé par des fibres comportant une matrice métallique peut être amené à former un véritable rond. La présente invention a pour autre objet un procédé de formation d'une structure annulaire à matrice renforcée ayant des cotes internes qui correspondent à un véritable rond ou en sont très proches. L'invention a encore pour objet un anneau en titane renforcé de carbure de silicium ayant des cotes internes qui constituent un véritable rond. Dans l'un de ses aspects les plus larges, on atteint les objets de la présente invention avec une structure annulaire à matrice métallique renforcée par des filaments, qui est légèrement ovalisée On monte la structure sur un cylindre vraiment rond en métal présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de l'anneau renforcé. On forme le cylindre de façon qu'il présente un diamatre légèrement inférieur à celui de l'intérieur de l'anneau et on entraîne le cylindre dans l'anneau sans modifier la configu- ration externe vraiment ronde du cylindre On chauffe l'anneau et le cylindre qu'il contient à une température à laquelle le diamètre du cylindre intérieur est identique ou supérieur au diamètre interne de l'anneau, et qui est également supérieure à la température de relaxation des contraintes de la matrice de l'anneau Après maintien de l'anneau et du cylindre à ladite température pendant un laps de temps inférieur à une heure, on refroidit l'anneau et le cylindre A la suite du refroidissement, on enlève le cylindre de l'anneau. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une élévation de côté d'un cylindre et d'un anneau avant le montage, et figure 2, une élévation de cÈté semblable à celle de la figure 1, mais représentant le cylindre et l'anneau après assemblage. On utilise un procédé de projection de plasma HF à basse pression pour la fabrication d'éléments d'anneaux en alliage à base de titane à couches multiples, o l'alliage à base de titane sert de matrice dans une structure composite contenant des filaments de renforcement Les filaments en carbure de silicium constituent les filaments principaux présentant de l'intérêt pour ce type de structure composite renforcée L'alliage à base de titane peut être un titane classique tel que Ti-6 Al-4 V (Ti-64); Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 MD (Ti- 6242); Ti-14 Al-2 l Nb; (Ti 1421); ces compositions s'enten- dant en poids, ou bien il peut être un aluminure de titane. Un tel aluminure peut être un gamma aluminure contenant 48 atomes % da titane, 48 atomes % d'aluminium, 2 atomes % de niobium et 2 atomes % de chrome, par exemple. On fabrique les éléments annulaires composites en 6 - projetant en plasma une couche de 3,2 mm d'épaisseur de l'alliage de la matrice sur un cylindre en acier doux On enlève le mandrin en acier de la couche de l'alliage de la matrice par dissolution chimique dans une solution d'acide nitrique ou par suppression thermique de la liaison en utilisant la différence des coefficients de dilatation thermique entre la matrice en alliage de titane et l'acier doux On enroule alors l'anneau de la matrice en alliage de titane "brut de pulvérisation" avec un filament continu en Si C dans une opération ultérieure de bobinage telle que celle décrite dans les brevets dont il est question dans le contexte de la présente invention Le cylindre bobiné avec les filaments est alors l'objet d'une pulvérisation en excès avec un alliage supplémentaire à matrice à base de titane de manière à recouvrir complètement le filament Les étapes de bobinage et de projection sont alors répétées jusqu'à ce qu'on obtienne le nombre désiré d'épaisseurs sur l'élément annulaire composite. Pour améliorer l'espacement et l'alignement des fila- ments et la liaison entre couches, on peut usiner la couche brute de projection ou bien la rendre lisse d'une autre manière. Comme le procédé de projection de plasma HF à basse pression donne une densité brute de projection inférieure à la valeur théorique, il est nécessaire de densifier l'anneau composite par chauffage et compression isostatique Cette opération de chauffage et de compression isostatique est une étape de procédé classique bien connu Le changement dimen- sionnel de l'anneau pendant le traitement par chauffage et compression isostatique peut provoquer un gauchissement des fibres dans les couches les plus à l'extérieur de l'anneau composite Par conséquent, il y a une pratique limite de 20 à couches d'addition, qu'on peut déposer à la fois avant qu'il soit nécessaire de densifier l'anneau Une telle densification d'une structure comportant 20 à 30 couches 7 - cherche à éviter le gauchissement et l'endommagement des anneaux qui sont provoqués par le traitement de chauffage et de compression isostatique d'une structure composite compor- tant plus de 30 couches devant être densifiées à la fois. La structure composite devant être formée est une structure ayant un nombre de couches pouvant atteindre 150 ou plus Une structure comportant environ 150 couches de composite est une structure nouvelle qu'on considère conve- nable pour emploi, par exemple, comme anneaux de renforcement dans les structures des compresseurs des moteurs d'avion Une façon d'atteindre ce nombre de couches est dl'"emboîter" des éléments d'anneau composite qu'on fabrique séparément A la suite de la fabrication séparée et de la densification séparée par chauffage et compression isostatique, on emboîte ensemble les éléments d'anneau composite afin de former un anneau assemblé qu'on peut lier par chauffage et compression isostatique afin d'obtenir un anneau composite présentant le nombre d'épaisseurs désiré. En ce qui concerne les éléments individuels d'anneau qu'on assemble pour former le composite emboîté, un élément individuel d'environ 20 couches sera exposé à 22-23 cycles thermiques associés au procédé de projection de plasma HF Il en résulte que l'élément d'anneau peut présenter une ovali- sation de 0,5 à 1 mm Cependant, les structures ovalisées à ce point ne peuvent être assemblées en les emboîtant pour former un seul composite qu'on peut lier par chauffage et compression isostatique pour réaliser un anneau composite ayant le nombre d'épaisseurs désiré De fait, pour lier par diffusion des éléments d'anneau emboîtés, il faut que le diamètre extérieur de l'anneau intérieur soit plus petit d'environ 0,08 à 0,1 mm au diamètre intérieur de l'anneau extérieur Ces tolérances étroites de pièces qui peuvent avoir un diamètre de plusieurs dizaines de décimètres sont presque impossibles à respecter si les pièces d'origine sont ovalisées Il existe un besoin pour un procédé qui permette 8 - de former à l'origine des anneaux en composite présentant la rotondité désirée ou de rétablir la rotondité des anneaux en composite à matrice métallique avant leur usinage pour respecter les tolérances élevées nécessaires à l'emboîtement. Par "véritable rond", on entend ici que la tolérance du rond est de 0,00 ou que, pour des fins pratiques, la rotondité est vraie à 0,08 mm près ou moins. On a découvert qu'un anneau en composite tel que l'anneau 10 de la figure 1 qui est ovalisé de plus de 4 mm peut être rendu rond à moins de 0,08 mm en utilisant un traitement thermique simple en présence d'un mandrin rond massif tel que le mandrin 12 de la figure 1 qui présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du composite On a découvert que pendant le traitement thermique au-dessus de la température de relaxation des contraintes de l'alliage de la matrice, le mandrin à coefficient de dilatation thermique élevée se dilate à un taux supérieur à celui du composite et donc provoque une action de poussée contre le diamètre intérieur du composite Le diamètre intérieur du composite est par conséquent maintenu rond, alors que les contraintes internes de l'alliage de la matrice composite sont relaxées à la température élevée Cela est exécuté de la manière représentée en figure 2. Un facteur dont dépend le succès du procédé de la présente invention est que la température de relaxation des contraintes des renforcements des filaments employés dans les composites à matrice métallique est considérablement supé- rieure 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 dans l'alliage de la matrice et les contraintes de compres- sion dans le filament dues à la différence des dilatations thermiques entre la matrice et le renforcement peuvent être 9 - réduites si les filaments sont maintenus à l'état de traction alors que le composite l'est à la température de relaxation des contraintes de la matrice ou audessous de cette température Pendant le refroidissement à partir de la température du traitement thermique, les contraintes des fibres varieront progressivement pour passer d'une contrainte de traction à une contrainte de compression en fonction des contraintes relatives, température relatives, et de la dilatation thermique de la matrice et des fibres. 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 caractéristiques du composite, en particulier lorsqu'on emploie un alliage à matrice fragile. On pense qu'une contrainte de compression dans la matrice a pour effet d'augmenter l'allongement à la rupture de la matrice et du composite On croît que le traitement qu'on décrit ici produit l'état désiré sous contrainte dans le composite. On donne les exemples suivants pour illustrer comment le procédé de la présente invention peut être mis en pratique et pour représenter les types de structure qu'on obtient ainsi. Exemple 1: On fabrique un anneau composite de 10 cm de diamètre et de 10 cm de large en utilisant un alliage Ti-1421 comme alliage de la matrice Le Ti 1421 est un alliage contenant 14 % en poids d'aluminium, 21 % en poids de niobium, le reste étant du titane Le renforcement pour la matrice à base de titane est constitué de filaments en carbure de silicium On peut se procurer les filaments auprès de la société Textron Corpora- tion sous le nom de filaments SCS-6 On projette en plasma une couche de 3 mm d'épaisseur de l'alliage de la matrice sur un cylindre en acier doux 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 - permettre le placement précis du filament Si C lors d'une étape ultérieure de bobinage On bobine un filament continu en Si C dans les rainures hélicoidales et on l'ancre à chaque extrémité On projette alors en excès sur le cylindre bobiné avec le filament de l'alliage Ti- 1421 supplémentaire et on usine le dép 6 t d'alliage pour lui conférer une surface lisse. De nouveau, on rainure la surface lisse avec un filet hélicoïdal continu d'une profondeur de 0,08 mm pour là encore permettre le placement précis du filament Si C continu On bobine le filament Si C dans les rainures et l'ancre de nouveau à chaque extrémité On a D Dlicue de nnoulvealu une Droieotion de Ti-1421 en excs. On renete ces onorations iilml'à l'jncornoration du nombre désiré des coulches dul filament de renforcement dans le métal de matrice dénosé Lors de la fabrication de la seconde épaisseur, on a accidentellement surchauffé l'anneau et constaté une distorsion considérable et une fusion là o il était en contact avec le mandrin en acier Après avoir fabriqué la seconde épaisseur, on a découpé l'anneau compo- site de 10 cm de large en plusieurs anneaux composite de 19 mm de large dans le composite endommagé On a mesuré les anneaux découpas et constaté qu'ils étaient ovalisés d'environ 4 mm. On a usiné un cylindre massif en acier inoxydable 304 L pour qu'il ait un diamètre extérieur inférieur d'environ lmm au diamètre moyen de l'un des anneaux découpés On a entraîné l'anneau découpé sur le mandrin en acier inoxydable On a chauffé le mandrin et l'anneau en composite découpé à une température de 900 C dans un four sous vide et on les a maintenus à la température de 900 pendant environ 15 minutes A l'issue des 15 minutes de ce chauffage, on a refroidi rapidement l'ensemble à l'argon jusqu'à la tempera- ture ambiante On a de nouveau mesuré l'anneau et on a trouvé cette fois qu'il était rond à 0,08 mm près Ainsi, grâce à ce mode opératoire on a amené un anneau ovalisé à avoir une véritable rotondité. il - On a dissous l'alliage de la matrice composite dans une solution d'eau-acide nitrique-acide fluorhydrique, lais- sant seulement les filaments Si C On a constaté que les filaments n'étaient pas rompus Apparemment, le traitement thermique n'a cassé aucune des fibres. Exemple 2 On a fait subir le même traitement thermique que celui venant d'être décrit à un second anneau découpé dans l'échantillon décrit dans l'exemple 1 Le traitement thermi- que a rétabli la rotondité de l'anneau à 0,08 mm près, donnant les mêmes résultats que ceux de l'exemple 1. On peut utiliser des renforcements par filaments autres que les filaments Si C dans la mise en pratique de la présente invention Par exemple, on peut employer des filaments de renforcement en céramique telle que A 203 monozristalline. On remarquera d'après ce qui précède que, en plus du fait de rendre véritablement annulaire une structure qui était ovalisée à l'origine, il est également possible de rendre ovalisée une structure annulaire en l'entraînant sur un mandrin de forme ovalisée, par exemple ayant la forme d'un ovale ou d'une ellipse ou toute autre forme qui ntest pas ronde. 12 - REVENDICATIONS 1 Procédé pour rendre véritablement ronde la forme interne d'une structure annulaire à matrice métallique renforcée par des filaments, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir une structure annulaire ( 10) à matrice métal- lique renforcée par des filaments, qui est légèrement ovalisée, préparer un cylindre vraiment rond ( 12) en métal présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de l'anneau, le cylindre ayant un diamètre légèrement inférieur à celui de l'intérieur de l'anneau; entraîner le cylindre dans l'anneau, chauffer l'anneau et le cylindre qu'il contient à une température qui rend son diamètre supérieur au diamètre interne de l'anneau, refroidir l'anneau et le cylindre, enlever le cylindre de l'anneau. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est effectué au-dessus de la température de relaxation des contraintes de la matrice. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement est constitué de filaments en céramique. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement est constitué de filaments de carbure de silicium (Si C). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement est constitué d'alumine Al 203 monocris- talline. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est un alliage à base de titane. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est en Ti-1421. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est en Ti-6242. 9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est en Ti-6 AI-AV. Procédé pour rendre ovalisée la forme interne d'une structure annulaire à matrice métallique renforcée de filaments, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir une structure annulaire à matrice métallique renforcée de filaments qui est essentiellement ronde, préparer un cylindre d'un métal présentant un coef- ficient de dilatation thermique supérieur à celui de l'anneau dans une configuration ovalisée sélectionnée, le cylindre ayant un diamètre légèrement plus petit que celui de l'intérieur de l'anneau, entraîner le cylindre ovalisé dans l'anneau, chauffer l'anneau et le cylindre qu'il contient à une température qui rend son diamètre supérieur au diamètre interne de l'anneau, refroidir l'anneau et le cylindre, et enlever le cylindre de l'anneau.