Brevet FR2663872A1 — publié le 19920103

FABRICATION DE TUBES À L'AIDE D'UN MANDRIN REUTILISABLE La presente invention conernre de façon générale la fabrication de tubes par des techniques de pulvérisation sous plasma Plus particulièrement, elle concerne la formation par pulvérisation sous plasma d'objets de forme générale tubulaire utilisant un mandrin réutilisable. Il est oonnu que la technologie de formation par pulvé- risation sous plasma peut être utilisée à la formation d'objets de diverses oonfigurations Plusieurs brevets conernent le procédé de formation d'objets par pulvérisation sous plasma uti- lisant des plasmas radio-fréquence (RF) oahe milieu de plasma. La préparation de feuilles à base d'alliage de titane et d'objets similaires et de structures renforcées dans lesquelles des fibres au carbure de silicium sont logées dans un alliage à base de titane est décrite dans les brevets américains 4775547, 4782884, 4786566, 4805294, 4805833 et 4838337, cédés au oessionnaire de la présente demande Les textes de ces brevets seront considérés ici O Eit M oonnus. La préparation de comtposites tels que décrits dans oes brevets est l'objet d'études approfondies étant donné que les composites ont de très bonnes propriétés de résistanxe mécanique par rapport à leur poids L'une des propriétés qui est parti- culièraemnt souhaitable réside dans les très hautes qualités de résistanoe à la rupture oenférées aux structures par les très bonnes propriétés de résistance à la rupture de fibres ou fila- ments de carbure de silicium Les propriétés de résistance à la rupture des structures sont liées à la règle des mélanges Selon oette règle, la proportion d'une propriété, telle que la pro- priété de résistance à la rupture, qui est attribuée aux fila- ments, et non pas à la matrice, est déterminée par le pourcentage volumique de filaments présent dans la structure et par la résis- tance à la rupture du filament lui-même De facon similaire, la proportion de la même propriété de résistance à la rupture qui est attribuée à la matrice est déterminée par le pourcentage volumique de la matrice présent dans la structure et la résis- tance à la rupture de la matrice elle-même. Avant le développement des processus décrits dans les brevets susmentionnes, de telles structures ont été préparées en mettant en sandwich les filaments de renforcement entre des feuilles d'alliage à base de titane et en pressant les empile- ments de oouches alternées d'alliage et de filaments de renforce- ment jusqu'à ce qu'une structure composite soit formée Toute- fois, ce procédé de l'art antérieur s'est avéré être moins que satisfaisant quand des essais ont été effectués pour former des structures en anneau dans lesquelles les filaments servaient de renforcement interne pour l'anneau complet. Les structures décrites dans les brevets susmentionnés et les procédés par lesquels elles sont formées, ont apporté un progrès important par rapport aux techniques antérieures de formation de sandwich de matrice et de filaments de renforcement par compression. Ultérieurement, il a été déouvert que, alors que les structures préparées de la façon décrite dans les brevets ci- dessus référencés ont des propriétés qui présentent une grande amélioration par rapport aux St res antérieures, la résis- tance à la rupture ultime très élevée que l'on peut atteindre avec ces structures n'arrive pas aux valeurs théoriquement possibles Des essais effectués sur des corposites formés selon les procédés enseignés dans les brevets ci-dessus ont montré que, bien que les valeurs des modules de rupture soient généralement en bon accord avec les prévisions de la règle des mélanges, la résistance à la rupture finale est habituellement bien inférieure à oe qui est prédit par les propriétés sous-jacentes des oomnpo- sants individuels du composite. Urne des structures qui s'est avérée être particulière- ment souhaitable selon la technologie des brevets susmentionnés est un produit annulaire comprenant une matrioe métallique et muni d'un renfort à filaments de carbure de silicium s'étendant plusieurs fois autour de l'anneau complet Ces structures en anneau ont de très bonnes propriétés de résistance à la rupture par rapport à leur poids en particulier quand on les compare à des structures totalement métalliques Toutefois, il s'est avéré difficile, en particulier en raison des trop hautes temapératures qui doivent être utilisées pour la formation de ces produits, d'obtenir une structure en anneau qui soit dimensionnellement très précise en oe qui conoerne ses dimensions internes Ces structures doivent être précioes en oe qui cocerneo leurs dimen- sions internes pour qu'elles puissent être utilisées très effica- cement dans une application finale pour autant que les structures sont souvent utilisées en tant qu'éléments d'une structure plus complexe et dans oe but sont emboîtées sur un ou plusieurs éléments d'un ensemble circulaire pour servir de bague de renfor- cement. L'une des structures formées comprend un filament de renforcement enroulé plusieurs fois et, dans plusieurs couches autour de la ciroonférene se trouve une structure en anneau renforcé L'anneau renforcé peut être utilisé par exemple comme bague de renforcement pour des aubes de compresseurs d'un disque de compresseur d'un moteur à réaction Pour servir à maintenir les aubes dans un étage de compresseur de moteur à réaction, un grand nombre de couches de filaments de renfort est requis Il s'est avéré qu'il est très difficile de continuer à ajouter de plus en plus de couches de renfort de filmanents à une structure en anneau en raison de la différence de coefficient de dilatation thermique et pour d'autres raisons Une façon de résoudre ce problème a consisté à former plusieurs anneaux concentriques qui sont alors assemblés les uns aux autres pour fournir une struc- ture en anneau renforcé comprenant plus de 100 couches de renfor- cement De telles structures en anneau peuvent avoir des diamètres assez grands de l'ordre d'une trentaine de centimétres ou de plusieurs trentaines de centimètres (plusieurs pieds) et doivent rnéanmoins être emboîtées les unes aux autres avec des tolérances très étroites de seulement quelques millièmes de centimxtres (quelques millièmes de pouce). Pour former un ensemble de structures en anneau renforcées, il est souhaitable de prévoir un ensemble de diamètre interne standard pour les anneaux à assembler de sorte qu'une certaine standardisation des dimensions de la structure en anneau puisse être utilisée pour simplifier les processus de fabrication et réaliser une certaine économie dans la fabrication de l'anneau Par exemple, si une structure d'ensemble doit avoir un diamntre interne d'environ 30 centimètres (un pied), plusieurs anneaux ayant des diamètres de départ différents peuvent être utilisés pour onstituer un ensemble de structures renforcées dont chacune a une épaisseur de par exemple 5 mm ( 0,2 pouce) Par exemple, si une structure en anneau d'ensemble doit avoir un diamétre interne de 30 cm et un total de plus 100 couches, il peut être souhaitable de fabriquer la structure en utilisant 5 oercles imbriqués comprenant chacun 20 couches individuelles. Puisque chaque couche a une épaisseur d'environ 0,22 à 0,25 mm ( 0,009 à 0,010 pouce), chaque cercle aura une épaisseur d'environ mm ( 0,2 pouce) Ainsi, les structures en anneau initiales à emboiter auront des diamètres internes de 30,5, 31,5, 32,5, 33,5 et 34,5 cm ( 12, 12,4, 12, 8, 13,2 et 13,6 pouces) Chacun de ces anneaux peut être utilisé come anneau de départ pour le dépôt du matériau de renforceent et de matrice en des couches ayant une épaisseur totale d'environ 5 mm. En conséquence, on a besoin d'un procédé commode et économique pour produire des ensembles d'anneaux de départ ayant des diamètres internes étroitement reproductibles. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un procédé par lequel une structure en anneau déposée par pulvé- risation sous plasma peut être produite de façcon éxomnique et fiable. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé qui permette la production de structures en anneau déposées par pulvérisation sous plasma ayant des diamètres internes bien définis. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé qui conduise de lui-même à la production économnique et fiable de structures en anneau qui ont des dimensions internes définies de façon reproductible. D'autres objets et avantages de la présente invention seront d'une part clairs pour l'homme de l'art et d'autre part soulignés dans la description ci-après. Sous l'un de leurs aspects les plus généraux, les ob- jets de la présente invention peuvent être atteints en prévoyant un mandrin ayant un coefficient de dilatation thermique relative- ment élevé et ayant des dimensions externes légèrement inférieu- res aux dimensions internes de la structure en anneau à former. Le mandrin est chauffé dans une torche à plasma et est ensuite soumis à une pulvérisation sous plasma d'une couche superficielle d'oxyde protecteur telle qu'une oeuche d'oxyde d'aluminium Après le dépôt de l'oxyde protecteur sur la surface du mandrin, un dépôt par pulvérisation d'un mrétal de matrice ayant un coeffi- cient de dilatation thermique notablement inférieur à celui du mandrin est appliqué à la surfaoe du mandirin revêtu d'oxyde On laisse alors le mandrin revêtu d'oxyde et le tube déposé de métal de matrice se refroidir à température ambiante Pendant le refroidissement, le mandrin se contracte et s'écarte du tube de métal de matrice en raison de la différence relativement impor- tante de coefficient de dilatation thermique de leurs matériaux respectifs La surface du mandrin revêtue d'oxyde se sépare de 1 l'anneau de sorte que l'anneau peut être enlevé du mandrin On notera que la séparation entre l'anneau et le mandrin survient dans la couche d'oxyde de sorte que la couche d'oxyde initiale doit être partiellement reformée avant qu'une seconde couche de matrice soit déposée Apres l'enlèvement de la bague de mntal de matrice, le mandrin est à nouveau chauffé à une température à laquelle un dépôt par pulvérisation sous plasmna d'un revêtement d'oxyde protecteur et d'une couche de mntal de matrice peut être formé sur le mandrin Le second anneau de métal de matrice est formé sur le mandrin revêtu d'oxyde et cet anneau et le mankdrin qu'il entoure sont amenés à se refroidir à temperature ambiante pour provoquer une séparation entre l'anneau et la surface revêtue d'oxyde. Le processus de dépôt de structures en anneau sur la surface revêtue d'oxyde est répété d'o il résulte qu'une plura- lité de structures en anneau obtenues par pulvérisation sous plasma ayant fondamentalement le même diamétre interne est produite de façcon fiable et économique. En prévoyant un ensemble de mandrins de différents diamètres, des ensembles d'anneaux de mnétal de matrice ayant des diamètres reproductibles peuvent être fabriqués. La description détaillée de l'invention qui suit se comprendra bien en faisant référen e aux dessins joints parmi lesquels: la figure 1 est une représentation en perspective partiellement schématique d'un mandrin sur lequel un revêtement superficiel d'un oxyde de protection a été appliqué; la figure 2 est une représentation en perspective partiellement schématique du dépôt sur le mandrin revêtu d'oxyde de la figure 1 d'un métal de matrice par pulvérisation sous plasma; et la figure 3 est une représentation en perspective partiellement schématique du mandrin revêtu d'oxyde de la figure 1 en cours d'enlèvement de la structure en anneau déposée par pulvérisation sous plasma après que les structures ont été refroidies. Il est connu qu'un dépôt par pulvérisation sous plasma RF d'un matériau métallique de matrioe à base de titane sur un substrat peut être utilisé pour former une feuille du matériau de matrice Un tel procédé est décrit dans le brevet américain N 4 838 337 De rombreuses autres structures ont été formées par dépôt par pulvérisation sous plasma d'un métal sur un substrat et il existe une littérature brevet et technique abondante sur ces procédés Toutefois, quarnd le substrat est un mandrin, le procédé classique d'enlèvement du mandrin consiste ou bien à éliminer le mandrin par usinage de l'intérieur du dépôt par pulvérisation sous plasma ou bien à dissoudre chimiquement le mandrin de l'intérieur du dépôt par pulvérisation sous plasma. Dans le présent prooessus, le mandrin et la structure en anneau déposée se séparent spontanément et automatiquement l'un de l'autre de sorte que la structure en anneau peut être enlevée du mandrin sur lequel elle est déposée sans recourir à des agents de dissolution chimique ou à un usinage ou à d'autres techniques de travail du métal. La technique par laquelle on obtient une pluralité d'anneaux déposés par pulvérisation sous plasma ayant essentiel- leaent les mêmes dimensions internes dépend d'une combinaison d'actions L'une de ces actions consiste en le revêtement de la surface du mandrin par un revêtement superficiel d'oxyde destirné à servir d'agent de libération pour la séparation d'un matériau déposé par pulvérisation sous plasma du substrat sur lequel il est déposé. La secoinde action dont dépend le procédé réside dans la prévision d'un mandxirin ayant un coefficient de dilatation thermique suffisamment grand par rapport à celui du matériau de matrice qui est déposé par pulvérisation sous plasma sur ce mandrin pour que le man-drin tende à se contracter en s'écartant de la surface interne de la structure d'anneau déposée par pulvé- risation sous plasma qui y est formée C'est la combinaison des éléments du procédé de la présente demande qui rend possible la fabrication répétée de structures en anneau ayant essentiellement le mêmne diamètre interne à partir d'une structure unique de mandrin de départ. Certains des avantages de la présente invention seront mieux compris si on les considère en relation avec un processus de fabrication avec lequel la présente invention peut avanta- geusement être utilisée. L'illustration est donnée ci-dessus du besoin d'obten- tion d'un ensemble d'anneaux qui peuvent être emboîtés les uns dans les autres de façon concentrique pour produire une bague unique comprenant un nombre relativement élevé de couches de renforoement par filaments supérieur à une centaine de telles couches Dans oe but, un ensemble de cinq anneaux onerntriques ayant chacun environ vingt couches de filaments de renforcement est présenté à titre d'exemple dans l'exposé de l'arrière plan de l'invention Chacun des cinq anneaux a un diamétre interne distinct et diffère d'environ 1 cm du diamétre interne de l'anneau adjacent, en plus ou en moins. Ce qui est souhaité pour fournir un tel ensemble d'anneaux renforcé par filament et oe qui est rendu possible par la présente invention est la production de structures de matrice de départ qui ont des diamètres initiaux qui sont reproductibles de façon fiable dans un domnaine de tolérance étroit par rapport à une dimension diamétrale initiale prédéterminée En d'autres termes, si on cherche à obtenir une structure en anneau ayant un diamétre interne de 30 centimétres, le procédé selon la présente invention prévoit la production d'une structure en anneau ayant un diamétre interne de 30,5 ncm ( 12 pouces) avec un domaine de toléranoe très étroit Et la même possibilité de fabrication existe pour des anneaux de 31,5, 32,5, 33,5 et 34,5 ncm ( 12,4, 12,8, 13,2 et 13,6 pouces). La fabrication d'une structure en anneau unique de ce type est décrite ci-après en relation avec les figures Craroe le représente la figure 1, un mandrin 10 a un diamètre externe légè- rement inférieur au diamétre de l'anneau à fabriquer Le mandrin 10 est de préférence à paroi épaisse ou plein comme cela est représenté en figure 1 Cette épaisseur de paroi est préférable pour éviter une distorsion de la forme du mandrin vers une forme non circulaire due à la séquenoe d'étapes de chauffage et de refroidissement quand le mandrin est utilisé de nombreuses fois. Le mandrin reçoit d'abord une pulvérisation sous plasma d'une couche protectrice d'oxyde en utilisant un canon à plasma clas- sique 12 et en utilisant une poudre d'oxyde telle que de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de magnésium ou un oxyde similaire, pour former un dépôt superficiel d'oxyde 14 sur le mandrin 10 à l'aide d'une torche à plasma classique 16 On a monctr que de tels revé- tements d'oxyde présentent une adére et forment un revêtement durable sur une surface métallique telle que la surface du mandrin 10. Le mandrin revêtu d'oxyde est ensuite introduit dans une chambre de dépôt sous plasma RF à faible pression (non repré- sentée) dans laquelle le mandrin 10 est monté pour subir un mouvement de rotation sous une torche à plansma 20 provenant d'un canon à plasma RF 18 Un tel canon RF peut être tel que décrit dans les brevets susmentionrés, tels que le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 782 884. Le canon à plasmna RF 18 est utilisé pour déposer une couche 22 d'un métal à base de titane tel que Ti-6242 (titane 6 aluminium 2 étain 4 zirconium 2 cobalt) sur la surface 14 revêtue d'oxyde du mandrin 10 La couche formée peut par exemple avoir une épaisseur d'environ 3 mm ( 1/8 pouce) L'épaisseur préférée de la couche dépend d'un petit xnomrbre de facteurs Un premier facteur est que l'anneau formé doit se tenir par lui-même et l'épaisseur de la couche doit être suffisante pour fournir un anneau d'épaisseur de paroi suffisante pour assurer la tenue de cet anneau Un autre facteur réside dans l'utilisation envisagée de l'anneau Si la surfaoe externe de l'anneau doit être usirnée, une épaisseur supplémentaire propre à permettre l'enlèvement de métal par usinage doit être prévue. Pour d'autres raisons, la position interne d'un anneau déposé de métal de matrice est une partie sacrificielle d'une structure d'anneau renforcée devant servir en tant qu'élément d'un ensemble d'anneaux à emboîter conoentriquemaent et à conso- lider en une bague de plus 100 couches de filaments de renfor- cement Il s'agit d'une partie sacrificielle en oe qu'elle est éliminée par usinage de l'intérieur d'une bague à 20 couches oemposantes de l'ensemble après que les 20 couches de renfor- oement ont été ajoutées mais avant que les cinq bagues compo- santes soient assemblées en un réseau concentrique et consolidées en un super anneau ou une bague unique de plus de 100 couches. La couche interne du mntal de matrice de chacun des anneaux à assembler est sacrifiée, c'est-à-dire usinée et reje- tée, pour augmenter la portion volumique de filaments de chaque anneau cxxmposant de l'ensemble. Après le dépôt de la couche 22 de métal de matrice, on laisse se refroidir l'anneau et le mandrin L'anneau 22 se sépare spontanément du mandrin et glisse en dehors du mandrin de la façon représentée en figure 3. Le procédé selon l'invention et la façon dont il peut être mis en oeuvre est illustré par l'exemple suivant. EXEMPLE 1 Un anneau creux d'acier doux ayant une longueur de cm et un diamètre de 10 can a été prévu L'acier avait un coef- ficient de dilatation thermique d'environ 14 xo 10-6 OC-1 L'anneau creux était monté pour un dépôt par pulvérisation sous plasma à pression normale d'un revêtement de surface d'une épaisseur de 0,075 à 0, 125 mm ( 0,003 à 0,005 pouoe) d'oxyde d'aluminium Le canon à plasma utilisé était un Metco 3 MB utilisant les condi- tions de pulvérisation suggérées par Metoco Le mandrin a d'abord été chauffé par la torche à plasma puis la couche d'oxyde d'alu- minium a été déposée par pulvérisation. Apres le dépôt à pression normale de l'oxyde d'alumi- nium, le mandrin a été introduit dans une chambre de dépôt plasma RF à faible pression similaire à celle décrite dans les brevets américains susmentionnés L'anneau creux revêtu d'oxyde a alors été réchauffé par la torche à plasma jusqu'à une température suffisamment élevée pour y déposer un métal de matrice Le mnétal de matrice appliqué était un alliage à base de titane et plus particulièrement Ti 6242 (Ti-6 Al-2 Sn- 4 Zr-2 Mo) Le coefficient de dilatation thermique du métal de matrioe d'alliage à base de titane déposé était d'environ 11 x 10 o-6 C-1 Après le dépôt d'une épaisseur d'environ 3 mm ( 0,125 pouoe) de la matrice d'alliage à base de titane, le mandrin et ses revêtements d'oxyde et de mnétal ont été autorisés à se refroidir à température ambiante et ensuite enlevés de la chambre de dépôt sous plasma à faible pression Apres enlèvement de la chambre, il s'est avéré que la bague de métal de matrioe s'était séparée spontarment et automa- tiquement du mandrin revêtu d'oxyde de sorte qu'il était possible de faire glisser la bague en dehors du mandrin sans utiliser d'agents chimiques, d'usinage ou d'autres étapes destructives. On notera que la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention dépend à la fois du revêtement du mandrin par un revêtement d'oxyde non réactif et de l'existenre d'une diffé- renè notable de coefficient de dilatation thermique entre le métal du mandrin et le métal de matrice déposé sur sa partie revêtue d'oxyde Des différenxces notables de coefficients de dilatation thermique sont requises pour un fonctionnrement satis- faisant de la présente invention et de préférence les différences de coefficients de dilatation thermique doivent être aussi élevées que possible. Apres dépôt de la bague de mnétal à base de titane et son enlèvement du mandrin revêtu d'oxyde, le mandrin a à nouveau reçu une pulvérisation d'A 1203 supplémentaire pour compléter la quantité qui était incorporée dans l'anneau de matrioe quand elle s'est séparée du mandrin revêtu d'oxyde Le mandrin avec son nou- veau revêtement d'oxyde a été introduit dans la chambre de dépôt sous plasma à faibhle pression et chauffé pour déposer une seconde bague de nétal de matrice Le métal de matrice du même alliage de titane a été formé sur la surface du mandrin et à nouveau le mandrin et la bague ont été refroidis à température ambiante puis enlevés de la chambre de dépôt sous plasma à faible pression A nouveau, la bague s'est spontanment séparée du mandrin revêtu d'oxyde et a été enlevée du mandrin sans l'assistance d'agents mécaniques ou chimiques. Le diamètre interne des deux bagues formées de la façon décrite dans l'exemple a été mesuré et s'est avéré être identique à mieux que 0,075 à 0,125 ma ( 0,003 à 0,005 pouce). Ce qui précède démontre qu'il est possible de produire une multiplicité de structures en anneau ayant fondamentalenent le méme diamètre interne par le processus de la présente inven- tion. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une pluralité de structures en anneau ayant pratiquement le mime diamètre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: prévoir un mandrin ( 10) de coefficient de dilatation thermique élevé, revêtir le mandrin d'un oxyde ( 14) de faible réacti- vité, déposer par pulvérisation sous plasma RF une bague ( 22) d'un métal de matrioe de faible coefficient de dilatation ther- mique sur la surface revêtue d'oxyde du mandrin, laisser le mandrin et la bague se refroidir pour provo- quer une séparation spontanée de la bague par rapport au mandrin, et répéter le dépôt par pulvérisation et le refroidisse- ment plusieurs fois pour former une pluralité de bagues ayant pratiquement les mâmes diamètres internes. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde déposé est de l'oxyde d'aluminium. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement du mandrin par de l'oxyde est effectué par pulvérisation sous plasma. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal de matrice est un métal à base de titane. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal de matrice est du Ti-6242. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague de matrice a une épaisseur d'environ 3 mmin.