Brevet FR2663954A1 — publié le 19920103

La présente invention concerne des procédés en général pour la formation de composites en métal à matrice renforcée par des filaments; elle est plus particulièrement relative à un procédé dans lequel on peut incorporer un renforcement par filaments en carbure de silicium d'une manière effective et efficace dans un composite comportant une matrice de métal à base de titane. On se reportera à la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique ayant pour n'07/546200 qu'on incorpore ici à titre de référence. On sait qu'on peut former des structures composite renforcées par des filaments, comportant des matrices de métaux à base de titane, en employant les techniques de dépôt par projection de plasma Un certain nombre de brevets des Etats-Unis d'Amérique traitent de ce sujet général On décrit la préparation de clinquants, feuilles et articles similaires à base d'alliage de titane, ainsi que de structures renfor- cées dans lesquelles les 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 4 838 337, qu'on incorpore ici à titre de référence. La préparation de composites qu'on décrit dans ces brevets a fait l'objet d'études approfondies étant donné que les composites ont une résistance mécanique très élevée par rapport à leur poids L'une des propriétés s'avérant particu- lièrement souhaitable est la résistance à la traction de valeur élevée qui est conférée aux structures grâce à la propre résistance à la traction présentée 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 part de la caractéristique, par exemple de la caractéristique de 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 part de la même caractéristique de traction pouvant être attribuée à la matrice est déterminée par le pourcentage en volume de la matrice présent dans la structure et par 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 préparait de telles struc- tures en plaçant les filaments de renforcement entre des clinquants d'alliage à base de titane et en comprimant les empilages de couches alternées d'alliage et de filament de renforcement jusqu'à la formation d'une structure complète. Cependant, cette pratique de la technique antérieure s'est avérée moins que satisfaisante lorsqu'on a essayé de former des structures tubulaires ou en anneau dans lesquelles le filament constituait un renforcement interne pour l'ensemble du tube ou de l'anneau. Les structures décrites dans les brevets cités ci- dessus constituent une grande amélioration de la pratique antérieure consistant à former par compression des sandwichs de matrice et de filaments de renforcement. On a découvert ultérieurement que, alors que les structures préparées de la façon décrite dans les brevets mentionnés ci-dessus présentent des propriétés qui sont une grande amélioration de celles des structures antérieures, les valeurs de la résistance à la rupture, potentiellement très élevées, qu'on a atteintes avec cette structure n'était pas à la hauteur des valeurs théoriquement possibles L'essai des composites formés en conformité avec les procédés exposés dans les brevets ci-dessus a montré que, bien que les valeurs du module concordent généralement bien avec la règle de la prédiction des mélanges, l'allongement à la rupture est généralement beaucoup plus faible que prévu par les propri- étés sous-jacentes des ingrédients individuels du composite. Diverses demandes de brevet ont été déposées qui ont pour objet de résoudre 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: 445 203, 459 894, 455 041 et 455 048; 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 cités en référence est un article annulaire ayant une matrice métallique et comportant un renforcement avec des filaments en carbure de silicium s'étendant de nombreuses fois autour de l'ensemble de l'anneau De telles structures tubulaires ou en anneau présentent des caractéristiques de traction très élevées par rapport à leur poids, en particulier lorsqu'on les compare à des structures entièrement métalliques De telles structures doivent avoir des cotes internes très précises de façon à pouvoir les utiliser plus efficacement dans leur emploi final attendu que les structures font souvent 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. L'une des structures ainsi formées, dans laquelle le filament de renforcement est enroulé de nombreuses fois et en plusieurs couches autour de la circonférence, est un anneau renforcé ou structure tubulaire On peut utiliser un anneau renforcé comme exemple de renforcement pour un disque de compresseur à aubes en une pièce d'un moteur à réaction Pour aider au maintien des aubes dans l'étage à 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 d'un renforcement par filaments à une structure tubulaire ou en anneau à cause des différences dans les coefficients de dilatation thermique ainsi que d'autres facteurs On explique une façon de résoudre ce problème dans une demande de brevet des Etats- Unis d'Amérique en attente Le procédé décrit dans cette demande de brevet implique la formation d'une série d'anneaux concentriques qu'on assemble alors ensemble pour obtenir une structure d'anneau renforcé présentant plus de cent couches de renforcement De telles structures d'anneau ont un diamètre assez grand, de l'ordre du demi- mètre ou d'un mètre ou deux et doivent néanmoins être emboîtées dans des tolérances très étroites. Alors que les brevets émis qui concernent la technique antérieure traitent généralement de la formation de struc- tures renforcées en composites présentant des filaments en carbure de silicium encastrés dans des environnements à matrice métallique, les procédés de leur formation ne sont pas totalement reproductibles et fiables au point de pouvoir convenir entièrement à des processus de fabrication Une partie des difficultés associées à la formation de structures composites qu'on rencontre dans les brevets de la technique antérieure concerne l'espacement des filaments On a trouvé que, par exemple, là o le dépôt de la matrice laisse une surface irrégulière, l'espacement du renforcement filamenteux par projection de plasma avait tendance aussi à se présenter en motifs irréguliers de sorte qu'en certains endroits les filaments se touchaient et dans d'autres ils étaient trop séparés Dans le cas o les filaments se touchaient par groupe de deux, trois ou quatre torons, voire davantage, l'espacement inadéquat entre les torons de filaments se traduisait par une mauvaise pénétration des filaments par le métal de la matrice projeté par plasma de sorte que le métal ne passait pas entre les filaments et formait un lien avec le métal se trouvant au-dessous De préférence, le métal projeté par plasma se dépose sur le sommet du groupe des torons de filaments en aboutement et laisse un vide à leur dessous, vide devant être ultérieurement rempli dans la mesure que permet un procédé de consolidation Cependant, un tel espacement irrégulier se traduit par un espacement trop dense des filaments de renforcement dans certains endroits et par un espacement trop peu dense dans d'autres endroits du produit obtenu. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé dans lequel on peut former des structures composites renforcées, qui présentent des propriétés essentiellement uniformes dans leur ensemble. La présente invention a pour autre objet de surmonter les difficultés rencontrées antérieurement de l'espacement irrégulier du renforcement filamenteux et de la distribution irrégulière en résultant pour le métal de la matrice par rapport au renforcement. La présente invention a pour autre objet un procédé assurant un espacement plus régulier des filaments dans une structure composite renforcée de filaments et un ensemble plus uniforme de propriétés du composite dans toute la structure. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront en partie et seront soulignés en partie dans la description qui suit. Dans l'un de leurs aspects généraux, on peut atteindre les objets de la présente invention en formant un dépôt par projection de plasma d'un métal de matrice sur un substrat généralement cylindrique On traite alors le dépôt de manière 6 - à égaliser sa surface par un enlèvement par abrasif du métal de la matrice dans les points hauts du dépôt qui est formé A la suite du nivellement de la surface déposée, un renforce- ment filamenteux est enroulé sur la surface lisse dans un motif qui fournit une distribution relativement uniforme du filament sur la surface du substrat Avec le renforcement filamenteux en place, une couche supplémentaire de métal de matrice projeté par plasma est déposée sur le renforcement filamenteux, autour de celui-ci et entre celui-ci, le renforcement étant enroulé sur la surface On trouve que la structure obtenue présente une distribution relativement uniforme du filament ainsi que de la matière de la matrice et par conséquent on obtient un ensemble relativement uniforme de propriétés dans toute la structure composite. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une illustration semi-schématique d'une partie d'un fragment d'une couche, brute de dépôt, de métal de matrice ayant une surface irrégulière; figure 2, une illustration semi-schématique de la structure de la figure 1 après que sa structure ait été rendue lisse par une action mécanique, figure 3, une illustration semi-schématique d'un enroulement d'un renforcement filamenteux sur la surface de la structure de la figure 2, figure 4, une illustration semi-schématique d'une structure composite formée par le dépôt par projection de plasma d'un métal de matrice sur et autour du filament de la structure de la figure 3. On sait qu'on a utilisé de manière intensive les techniques de la métallurgie des poudres dans la formation d'articles en métal L'un des problèmes soulevés par la technologie de la métallurgie des poudres est qu'il arrive qu'une particule de la poudre ne soit pas une particule de métal mais au contraire une particule d'un oxyde ou d'une céramique ou de quelque autre substance non métallique Dans la technologie de la métallurgie des poudres, on appelle parfois ces particules non métalliques des inclusions ou inclusions non-métalliques Une inclusion est indésirable, en particulier en se sens qu'elle sert de foyer pour le développement de fendillements dans la structure de la métallurgie des poudres comportant de telles inclusions Par conséquent, dans l'art des métaux, il est généralement souhaitable d'éviter la présence des particules en céramique en association avec des structures métalliques, en particu- lier dans le cas o de telles particules peuvent constituer un foyer pour l'amorçage des fendillements. C'est par surprise qu'on a constaté qu'il est possible d'employer des matériaux abrasifs en céramique dans le cas de la formation de couches d'une matrice métallique déposée par projection de plasma sans souffrir des effets néfastes dûs à l'emploi de tels abrasifs En particulier, on a découvert que la surface irrégulière ou inégale d'une structure brute d'un dépôt obtenu par projection de plasma peut être traitée mécaniquement avec des substances abrasives et peut être rendue essentiellement régulière par l'emploi de ces abrasifs avant la consolidation sans l'emprisonnement et la rétention néfastes des particules abrasives, qui se traduisent par l'amorçage de fentes et de fendillements dans la structure consolidée qui est ainsi formée On a découvert que la partie la moins dense de la couche déposé par projection de plasma est la partie la plus haute de la couche, et que cette partie peut être enlevée rapidement et efficacement par meulage en utilisant des abrasifs et avec une réduction minimum de la masse globale de la couche déposée En d'autres termes, on a découvert que la partie la plus haute d'une couche déposée par plasma est la partie de la couche qui présente la densité la plus faible. On doit également remarquer que le dépôt projeté par plasma de préconsolidation a une densité plus faible que la 8 - matrice consolidée et que la densité plus faible est due à la formation de vides dans la structure projetée par plasma alors que le métal de la matrice est déposé par projection de plasma La consolidation ultérieure, par exemple par compression isostatique à chaud, augmente la densité de la matrice et diminue aussi le volume des vides dans la matrice. Alors qu'il est possible qu'une partie de l'abrasif employé dans l'égalisation de la surface de la matrice ne trouve pas sa voie dans les vides de pré-consolidation du métal de la matrice, on pense néanmoins que les structures déposées par projection de plasma, renforcées par des filaments, ne présentent pas une plus grande tendance aux fendillements de la matrice à la suite de l'emploi de matières abrasives pour l'aplanissement de la surface formée par le dépôt de la matière de la matrice projetée par plasma. On décrira en liaison avec les dessins d'accompagne- ment la manière avec laquelle on peut exécuter la présente invention. En figure 1, on a représenté une petite partie, constituant moins de 2, 5 millimètres d'un métal de matrice brut de dépôt Le dépôt 10 est caractérisé par une surface rugueuse 12, dont le caractère irrégulier apparaît tant dans la vue de dessus que dans le côté sectionné. On élimine la surface rugueuse avec un abrasif et la surface plus régulière 14 ainsi obtenue est représentée en figure 2 On enlève de cette façon de l'ordre de 10 à 50 pourcent, de pré- férence de 20 à 40 pourcent, de l'épaisseur de la couche brute de dépôt. Un réseau de spires 16 du filament de renforcement est ensuite enroulé sur la surface 14 plus régulière, un fragment de ce réseau étant représenté en figure 3 L'espacement relativement régulier entre spires 16, d'un nombre supérieur à 100 par 25 mm linéaires, est représentatif de l'espacement régulier qu'on peut obtenir Le fragment représenté en figure 3 est une partie de la surface d'un tambour autour duquel on a enroulé de nombreuses fois un filament de renforcement de 9 - manière à obtenir la couche de renforcement filamenteux. la figure 4 représente la structure de la figure 3 à laquelle on a ajouté une seconde couche 20 d'un métal à base de titane qu'on dépose par projection de plasma On voit là encore que la surface 22 de cette couche présente la rugosité et l'irrégularité caractéristiques de la couche brute de dépôt obtenue par projection de plasma C'est cette rugosité qu'on enlève selon la présente invention avant l'application d'une seconde couche d'un renforcement filamenteux. On illustre par l'exemple suivant la manière dans laquelle on peut mettre en pratique le procédé de la présente invention. EXEMPLE: On introduit un mandrin cylindrique creux en acier doux, ayant un diamètre de 10 cm et une longueur de 10 cm, dans une chambre de dépôt de plasma à basse pression La chambre est semblable à celle qu'on décrit dans les brevets dont il est question au début du présent mémoire On emploie un pistolet RF pour déposer un revêtement de métal à base de titane, et plus spécialement de Ti-6242 (Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo) sur le mandrin en employant les techniques de traitement à plasma. On enlève le mandrin revêtu de la chambre de dépôt et on observe facilement qu'un revêtement irrégulier ayant des points tant hauts que bas et présentant un degré important de rugosité s'est formé sur la surface On monte le mandrin et le revêtement dans un tour et on enlève la surface irrégu- lière du revêtement déposé par plasma avec un outil de meulage comportant un abrasif en carbure de calcium dont les particules ont un diamètre passant par un tamis de 250 /Lm d'ouverture de maille Plus spécialement, l'outil employé est une ponceuse à bande On a trouvé que le meulage permettait d'augmenter l'égalité de la surface ainsi que la régularité du dépôt sur la surface du mandrin On a observé que la plupart des points hauts étaient éliminés On a également - observé que si l'on mesurait le diamètre avant et après meulage, celui-ci changeait rapidement après un sablage très faible, puis plus lentement. On a enroulé un filament de renforcement en carbure de silicium, plus particulièrement le filament dit SCS-6 fabri- qué par la société Textron Specialty Materials, Lowell, MA, sur la surface lisse de l'alliage à base de titane du mandrin On a collé le filament à l'une de ses extrémités et on l'a alors enroulé en continu sur la surface lisse du mandrin et on l'a de nouveau collé à son autre extrémité On a constaté que, même si l'on enroulait plus de 100 tours de filament sur la surface lisse, l'espacement du filament sur le mandrin revêtu était assez régulier et qu'il n'y avait que très peu d'endroits o des torons du filament touchaient le filament adjacent d'une manière telle que cela empêchait le passage entre eux du métal projeté Cela est en opposition avec le dépôt d'un filament bobiné sur une surface qui n'a pas été rendue lisse en ce sens que le filament a une forte tendance à se rassembler dans les poches peu profondes de la surface rugueuse, et cela d'une manière empêchant le passage du métal projeté entre les torons individuels de filament. On a réintroduit le mandrin avec son revêtement de matrice et la couche de renforcement par filaments dans la chambre de dépôt par plasma sous basse pression et on a déposé une seconde couche du métal de la matrice par projection de plasma sur les spires du filament et entre elles de manière à former une couche qui encastrait essen- tiellement le renforcement filamenteux à l'intérieur de la couche de matrice déposée On a refroidi le mandrin et ses couches déposées et on les a enlevés de la chambre de dépôt; on a de nouveau meulé la surface irrégulière, rugueuse, de la matrice déposée avec des outils comportant des abrasifs, ce qui a de nouveau rendu la couche extérieure du métal de la matrice plus régulière et plus lisse On a enroulé une couche supplémentaire du renforcement filamenteux sur la surface il - extérieure du métal de la matrice et on a exécuté le procédé de dépôt par projection d'une couche supplémentaire de métal de matrice comme on l'a décrit ci-dessus. Après avoir répété 4 fois ces étapes de meulage, bobinage et projection, on a enlevé la structure d'anneau formée sur le mandrin en usinant et dissolvant le mandrin A la suite de l'enlèvement du mandrin, on a consolidé la structure de l'anneau par compression isostatique à chaud dans une enceinte de traitement et on a enlevé alors cette enceinte. On remarquera qu'on peut employer d'autres matériaux de renforcement filamenteux tels que des fibres en oxyde d'aluminium et autres matériaux de matrice tels que des alliages à base de titane à la place de ceux qu'on a indiqués dans l'exemple précédent. On vient donc de décrire un procédé très efficace et économique pour produire une structure à matrice métallique renforcée par des filaments On remarquera que l'espacement entre filaments de renforcement est plus uniforme dans le composite fabriqué avec l'aide de l'étape de meulage que l'espacement du renforcement obtenu lorsqu'on omet cette étape. 12 - REVENDICATIONS 1 Procédé pour la formation d'une structure d'anneau composite renforcée de filaments, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir un mandrin sur lequel la structure doit être formée, déposer par projection de plasma une couche ( 10) de métal de matrice à base de titane sur la surface du mandrin, meuler par abrasif la surface irrégulière ( 12) de la couche déposée de manière à la rendre égale et relativement lisse, déposer un enroulement ( 16) de renforcement filamen- teux sur la surface meulée, déposer par projection de plasma une seconde couche ( 20) de métal de matrice sur le renforcement filamenteux et autour de celui-ci, meuler par abrasif la surface irrégulière ( 22) de la seconde couche déposée de manière à la rendre régulière et relativement lisse, répéter les étapes d'enroulement, de projection et de meulage un nombre prédéterminé de fois, d'o il résulte la formation d'une structure composite. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le meulage à l'abrasif enlève entre 10 et 50 % de l'épaisseur de la couche déposée. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le meulage par abrasif enlève entre 20 et 40 % de l'épaisseur de la couche déposée. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement filamenteux est constitué d'un filament en carbure de silicium. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement du renforcement filamenteux dépasse 100 tours par 25 mm.