Brevet FR2677442A1 — publié le 19921211

Chemise de tube de canon en matériau composite, son procédé de fabrication, et tube de canon muni d'une telle chemise. La présente invention concerne une chemise de canon, et plus particulièrement une chemise en matériau composite à renfort en fibres réfractaires et à matrice céramique. Des recherches constantes sont effectuées pour pouvoir soumettre les tubes de canon à des cadences de tirs et des pressions de plus en plus élevées, afin d'augmenter les performances, mais sans conduire à une dégradation trop rapide. Afin d'éviter l'échauffement rapide d'un tube de canon métallique, il a été proposé de munir celui-ci intérieurement d'un matériau céramique, en particulier sous forme d'un revêtement interne ou d'une chemise frettée à l'intérieur du tube de canon En effet, les céramiques présentent des résistances aux hautes températures, aux chocs thermiques, à l'usure et à la corrosion, ainsi qu'une teneur en compression qui les rendent aptes à une telle application. Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) ajoutent aux céramiques des résistances accrues aux sollicitations mécaniques et aux chocs mécaniques et thermiques, ce qui leur confère des propriétés thermostructurales particulièrement intéressantes. Aussi, l'utilisation de CMC à l'intérieur de tubes de canon a été envisagée, en particulier dans les brevets US 4 435 455, US 4 464 192 et US 4 581 053. La présente invention a pour but de fournir une chemise de tube de canon en matériau composite à matrice céramique qui soit particulièrement adaptée aux conditions de son utilisation, en particulier dans la structure de son renfort fibreux. Ce but est atteint du fait que, conformément à l'invention, le renfort fibreux comprend une partie interne cylindrique constituée d'une texture fibreuse tridimensionnelle et d'une partie externe cylindrique entourant la partie interne et de même axe que celle- ci, la partie externe étant constituée par une bande bobinée autour de la partie interne, les parties interne et externe étant co-densifiées par la matrice céramique. La texture fibreuse tridimensionnelle est avantageusement constituée de couches superposées d'une texture bidimensionnelle (par exemple tissu ou voile de fibres) qui sont liées entre elles par aiguilletage En variante, la liaison des couches de texture bidimensionnelle peut être réalisée par implantation de fils à travers les couches superposées Toujours en variante, la texture fibreuse tridimensionnelle peut être fabriquée directement par tissage tridimensionnel. La partie interne du renfort fibreux constitue, après densification par la matrice, un matériau particulièrement apte au contact avec le projectile et les gaz propulsifs. En effet, la structure tridimensionnelle du renfort s'oppose efficacement à un délaminage du matériau (décollements parallèlement aux couches) En outre, cette structure tri- dimensionnelle confère au renfort fibreux une porosité fine plus aisément accessible à la matrice et favorise une densification plus homogène, donc une moindre perméabilité finale aux gaz. La partie externe bobinée du renfort fibreux constitue, après densification par la matrice, un matériau présentant une bonne tenue au frettage, et notamment un matériau plus apte au frettage avec précontrainte en compression que le matériau formé avec la partie interne du renfort. La co-densification des parties interne et externe du renfort fibreux assure une liaison efficace entre ces deux parties en raison de la continuité de la matrice à l'interface entre les deux parties. Les fibres réfractaires constituant le renfort fibreux sont choisies parmi les fibres de carbone et les fibres céramiques. La partie interne du renfort fibreux est de préférence en fibres de carbone, ou en fibres d'un précurseur de carbone, tel que le polyacrylonitrile (PAN) préoxydé, plus apte à l'aiguilletage. La partie externe du renfort fibreux est de préférence en fibres céramiques, par exemple en fibres constituées essentiellement de carbure de silicium, ceci notamment pour améliorer l'isolation thermique procurée par la chemise. L'invention a aussi pour objet de fournir un procédé permettant la fabrication de la chemise de tube de canon définie plus haut. Conformément à l'invention, le procédé comprend les étapes qui consistent à: réaliser une première texture tridimensionnelle cylindrique en fibres en matériau réfractaire ou en un précurseur de celui-ci, afin de former la partie interne du renfort, (carbonisation dans le cas du précurseur) bobiner sur la partie interne du renfort une deuxième texture en fibres en matériau réfractaire, afin de former la partie externe du renfort, et densifier simultanément la partie interne et la partie externe de renfort par le matériau constitutif de la matrice céramique. Avantageusement, la partie interne du renfort est formée par enroulement sur un mandrin d'une texture fibreuse en couches superposées et liaison des couches entre elles La liaison entre les couches peut être réalisée par aiguilletage de la texture fibreuse sur elle-même au fur et à mesure de son enroulement ou par implantation de fils. De préférence, les parties interne et externe du renfort sont co-densifiées par voie gazeuse ou par voie liquide. La co-densification par voie gazeuse est réalisée par infiltration chimique en phase vapeur. La co-densification par voie liquide consiste à imprégner le renfort par un liquide précurseur de la matrice, puis à transformer le précurseur, généralement par traitement thermique pour obtenir le matériau constitutif de la matrice. D'autres particularités et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue schématique en perspective montrant la réalisation par aiguilletage de la partie interne du renfort fibreux d'une chemise de tube de canon en matériau composite conforme à l'invention; La figure 2 est une vue schématique en coupe montrant l'aiguilletage de la partie interne du renfort fibreux; La figure 3 est une vue schématique en perspective montrant la réalisation par enroulement de la partie externe du renfort fibreux d'une chemise de tube de canon conforme à l'invention; et la figure 4 montre très schématiquement, en perspective et en coupe, une chemise de tube de canon conforme à l'invention frettée à l'intérieur d'un tube de canon. Dans une chemise de tube de canon en matériau composite selon l'invention, le renfort fibreux comprend deux parties cylindriques tubulaires coaxiales, une partie interne ou bague interne constituée d'une texture fibreuse tridimensionnelle et une partie externe ou bague externe constituée par une bande bobinée autour de la bague interne. Dans l'exemple considéré ici, la bague interne est en fibres de carbone et la bague externe en fibres essentiellement en carbure de silicium (fibres Si C). La bague interne est formée à partir d'une texture fibreuse en bande 10 en fibres de polyacrylonitrile (PAN) préoxydé, précurseur du carbone La texture 10 est un complexe constitué d'une bande de tissu de PAN préoxydé sur laquelle un voile de fibres également en PAN préoxydé a été pré-aiguilleté La texture 10 est dévidée d'un rouleau de stockage pour être enroulée avec une faible tension sur un axe métallique 14 (figure 1) Le diamètre de l'axe 14 est choisi en fonction du diamètre intérieur de la chemise à réaliser Un rouleau d'entraînement 16 enroule la texture 10 suivant une vitesse déterminée autour de l'axe 14, l'entraînement étant réalisé par contact sur la texture enroulée. Au fur et à mesure de son enroulement sur l'axe 14, la texture 10 est aiguilletée au moyen d'une planche à aiguilles 20 munie de deux rangées d'aiguilles 22 Les rangées d'aiguilles s'étendent parallèlement à l'axe 14, sur une longueur sensiblement égale à la largeur de la texture 10 Les rangées d'aiguilles sont symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan axial P, parallèle aux aiguilles 22, et sont espacées l'une de l'autre d'une distance supérieure au diamètre de l'axe 14. Ainsi, comme le montre la figure 2, les aiguilles pénâ- trent dans la texture 10 enroulée, de part et d'autre de l'axe 14. Avantageusement, l'aiguilletage est réalisé en faisant pénétrer les aiguilles sur une profondeur relativement constante, au fur et à mesure de l'enroulement de la texture 10 A cet effet, à chaque fois qu'un tour est accompli par la texture 10 autour de l'axe 14, la distance entre l'axe 14 et la planche à aiguilles 20, à l'extrémité arrière de sa course, est augmentée d'une quantité correspondant à peu près à l'épaisseur d'une couche aiguilletée. Lorsque l'épaisseur désirée de la bague interne 30 a été atteinte, plusieurs passes d'aiguilletage de finition sont réalisées sans apport de texture 10 et en diminuant progressivement la profondeur de pénétration des aiguilles. On notera que le procédé d'aiguilletage ci-dessus décrit est analogue à celui objet du brevet français publié sous le N 12 584 107 au nom de la déposante. A chaque pénétration des aiguilles 22 les barbes dont celles- ci sont munies entraînent des fibres, principalement prélevées dans le voile de PAN préoxydé, transversalement par rapport aux couches superposées de la texture 10 La disposition des rangées d'aiguilles, de part et d'autre de l'axe 14, fait que les fibres entraînées par les aiguilles sont disposées dans des directions qui se croisent(figure 2) Le croisement des fibres de liaison entre couches permet d'obtenir une structure fibreuse très fine, c'est à dire une structure exempte de macroporosité. Comme déjà indiqué, la texture tridimensionnelle de la bague interne pourrait être obtenue par enroulement d'une texture bidimensionnelle, par exemple une bande de tissu, en couches superposées et implantation de fils à travers les couches pour les lier entre elles Un tel procédé d'obtention d'une préforme fibreuse est décrit dans le brevet français publié sous le NO 2 565 262. La bague interne en fibres de PAN préoxydé est carbonisée pour transformer le PAN préoxydé en carbone Lors de la carbonisation, la bague interne 30 est supportée par un axe en graphite 24 L'axe en graphite 24 a un diamètre légèrement inférieur à celui de l'axe 14 pour tenir compte du resserrage de la texture lors de la transformation du PAN préoxydé en carbone. Après carbonisation, la bague interne 30 est maintenue dans sa forme par un liant fugitif, notamment par imprégnation au moins d'une résine facilement éliminable, par exemple par traitement thermique, telle qu'une résine PVA (alcool polyvinylique) éliminable thermiquement sans laisser de résidu solide. La bague interne 30 ainsi maintenue en forme peut être usinée au diamètre extérieur voulu et éventuellement découpée en longueur si la longueur totale de la bague 30 correspond à plusieurs fois la longueur d'une chemise. Ensuite (figure 3), la bague externe est mise en place par bobinage d'une texture en bande 26 autour de la bague interne portée par l'axe 24 La bande 26 est une bande de tissu d'armure sergé en fibres Si C tirée d'un rouleau de stockage L'enroulement est effectué comme précédemment au moyen du rouleau d'entraînement 16 Au début de son enroulement, la bande de tissu 26 est collée sur la surface de la bague 30 par la même résine que celle utilisée pour l'imprégnation de cette dernière. Lorsque le diamètre extérieur de la bague externe 32 a été atteint, le désenroulement de la bande de tissu 26 est bloqué par bobinage d'un fil de carbone. La préforme fibreuse constituée par la bague interne 30 et la bague externe 32, montée sur l'axe en graphite 24, est placée dans la chambre de réaction d'une installation d'infiltration chimique en phase vapeur en vue de réaliser une première consolidation La résine d'imprégnation est éliminée lors de la phase de montée en température précédant l'infiltration Une densification partielle est d'abord réalisée par infiltration du matériau constitutif de la matrice afin de consolider la préforme, c'est à dire de lier suffisamment les fibres entre elles pour pouvoir manipuler la préforme. La préforme consolidée est retirée de l'installation d'infiltration pour être usinée à quelques dizièmes de mm de ses cotes finales, l'axe 24 étant éliminé. Ensuite la densification par la matrice est poursuivie jusqu'à atteindre une densité maximale, et la chemise de tube de canon obtenue est usinée à ses dimensions définitives. La co-densification des bagues 30 et 32 assure la liaison entre ces dernières par la continuité de la matrice La matrice céramique est par exemple du carbure de silicium La technique d'infiltration chimique en phase vapeur d'une matrice céramique est bien connue On pourra en particulier se référer au brevet français publié sous le n'2 401 888 au nom de la déposante. Une couche d'interphase, par exemple en pyrocarbone (carbone déposé par infiltration chimique en phase vapeur) peut être formée sur les fibres de la préforme, avant densification par la matrice céramique La formation d'une telle couche d'interphase, améliorant la liaison entre les fibres et la matrice, est décrite dans le brevet européen N 0172 082 de la déposante. En variante, la co-densification des bagues 30 et 32 peut être réalisée par voie liquide A cet effet, la préforme est imprégnée par un liquide précurseur du matériau céramique de la matrice, puis est soumise à un traitement, généralement un traitement thermique, pour transformer le précurseur en matériau céramique Plusieurs cycles consécutifs d'imprégnation peuvent être nécessaires. La figure 4 montre le montage de la chemise formée par les bagues interne 30 et externe 32 co-densifiées, à l'intérieur d'un tube de canon métallique 40 La chemise est disposée dans la partie d'extrémité du tube située au voisinage de la culasse, puisque c'est la partie la plus sollicitée du tube de canon lors du départ du projectile Il est inutile de protéger l'alésage du tube de canon sur toute sa longueur, ceci étant même non souhaitable afin de limiter les contraintes axiales dues aux dilatations différentielles entre la chemise en CMC et le tube de canon métallique, ainsi que des difficultés de précision d'usinage pour la réalisation du frettage. Le montage de la chemise à l'intérieur du tube 40 est réalisé de façon classique par frettage La contrainte en compression de la chemise favorise le transfert au corps métallique du tube des efforts dus à la montée en pression dans le tube. La chemise de tube de canon conforme à l'invention offre une bonne résistance à l'usure et une étanchéité satisfaisante aux gaz propulsifs, du fait de la cohésion de la structure fibreuse de renfort dans la bague interne, qui apporte une grande résistance à l'usure, et à la finesse de cette structure, qui favorise une densification homogène et élevée La chemise de tube de canon offre en outre une bonne résistance à la pression dans le tube et procure une bonne isolation thermique, du fait de la constitution de la structure fibreuse de renfort dans la bague externe (bobinage circonférentiel d'une bande) et de la nature isolante de cette structure fibreuse. Il est possible d'intégrer dans l'alésage de la chemise un cône de forcement 34 (figure 4) dans lequel le projectile en mouvement vient se fretter pour réaliser l'étanchéité entre le projectile et l'alésage du logement de la chemise dans le tube. Ce cône de forcement entraîne des contraintes supplémentaires radiales et axiales que le matériau composite à matrice céramique constituant la chemise est capable de supporter. REVENDICATIONS 1 Chemise de tube de canon, en matériau composite à renfort en fibres réfractaires et matrice céramique, caractérisée en ce que le renfort fibreux comprend une partie interne cylindrique ( 30) constituée d'une texture fibreuse tridimensionnelle et d'une partie externe cylindrique ( 32) entourant la partie interne et de même axe que celle- ci, la partie externe étant constituée par une bande bobinée autour de la partie interne, les parties interne et externe étant co-densifiées par la matrice céramique. 2 Chemise de tube de canon selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie interne ( 30) du renfort est en fibres de carbone. 3 Chemise de tube de canon selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie externe ( 32) du renfort est en fibres céramiques 4 Chemise de tube de canon selon la revendication 3, caractérisée en ce que la partie externe ( 32) du renfort est en fibres essentiellement en carbure de silicium. Chemise de tube de canon selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée ce que la matrice céramique est en carbure de silicium. 6 Procédé de fabrication d'une chemise de tube de canon selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: réaliser une première texture tridimensionnelle cylindrique ( 10) en fibres en matériau réfractaire ou en un précurseur de celui-ci qui est ensuite carbonisé, afin de former la partie interne ( 30) du renfort, bobiner sur la partie interne du renfort une deuxième texture ( 26) en fibres en matériau réfractaire, afin de former la partie externe ( 32) du renfort, et densifier simultanément la partie interne et la partie externe de renfort par le matériau constitutif de la matrice céramique. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie interne ( 30) du renfort est formée par enroulement sur un mandrin d'une texture fibreuse en couches superposées et liaison des couches entre elles par aiguilletage. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisé dans des directions qui se croisent. 9 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie interne ( 30) du renfort est formée par enroulement sur un mandrin d'une texture fibreuse en couches superposées et liaison des couches entre elles par implantation de fils à travers les couches. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les parties interne ( 30) et externe ( 32) du renfort sont co-densifiées par infiltration chimique en phase vapeur. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les parties interne ( 30) et externe ( 32) du renfort sont co-densifiées par voie liquide. 12 Procédé selon l'une quelconques des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que la première texture enroulée ( 10) est en fibres en un précurseur d'un matériau réfractaire, la transformation du précurseur en matériau réfractaire étant réalisée par traitement thermique avant bobinage de la partie externe du renfort. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que la partie interne ( 30) du renfort est maintenue dans sa forme par imprégnation au moyen d'une résine fugitive, avant bobinage de la partie externe ( 32) du renfort. 14 Tube de canon, caractérisé en ce qu'il comprend une chemise selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 frettée à l'intérieur du tube ( 40).