Brevet FR2692255A1 — publié le 19931217

PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'AU MOINS DEUX PIECES REALISEES DANS UN MATERIAU COMPOSITE COMPRENANT UNE MATRICE CERAMIQUE OU VITROCERAMIQUE RENFORCEE PAR DES FIBRES CERAMIQUES L'invention concerne un procédé d'assemblage d'au moins deux pièces réalisées dans un matériau composite comprenant une matrice céramique ou vitro- céramique, renforcée par des fibres céramiques Les matériaux composites à matrices céramiques ou vitro- céramiques sont de plus en plus fréquemment utilisés dans la fabrication de pièces devant présenter simulta- nément une bonne résistance à des températures élevées et une faible masse Ces matériaux sont notamment utilisés pour la réalisation de pièces se trouvant dans les zones chaudes d'un turbo-réacteur d'avion. Ces pièces sont par exemple, des volets de tuyère, des chemises ou des bras d'un canal de post-combustion, des viroles, des bras de carter d'échappement, des pales ou des plateformes de redresseurs d'un compres- seur ou encore des pales et des pieds d'aubes mobiles. Ces pièces soumises à des sollicitations de natures diverses peuvent se rompre, il est alors néces- saire de les réparer. En outre, lors de la fabrication de pièces de grandes dimensions comme des viroles, il est souvent nécessaire de les sectoriser en éléments individuels de petites dimensions, compte tenu des limites des installations utilisées ou des procédés de fabrication, et de les assembler ensuite, (au lieu d'effectuer une fabrication globale de la pièce). Le terme "procédé d'assemblage de deux pièces" couvre donc les deux cas qui viennent d'être cités, c'est-à-dire non seulement l'assemblage mais également la réparation de pièces. L'assemblage de deux pièces (ou plus) réalisées dans les matériaux précités pose des problèmes si il est effectué par des moyens mécaniques classiques tels que des rivets, des boulons ou des vis En effet, les assemblages mécaniques imposent le perçage des deux pièces à assembler Or, les matériaux composites céramiques sont difficilement usinables du fait de leur grande dureté et/ou de la présence d'une couche de matériau anti-oxydation sur leur surface ou de tout autre revêtement destiné à protéger le matériau composite Ce revêtement tend à s'écailler ou à se fendiller autour du perçage et de ce fait, ne joue plus son rôle de protection contre tout phénomène extérieur destructif. En outre, lorsque le perçage est réalisé sur un matériau céramique renforcé par des fibres, il a pour effet de détruire un certain nombre de torons de fibres, ce qui diminue la résistance mécanique de la pièce au niveau de ce perçage. Enfin, la présence d'éléments métalliques tels que les boulons ou les vis à l'intérieur de la pièce en matériau composite, induit des différences de dilatation thermique qui sont nuisibles à l'inté- grité de l'ensemble Il est donc souhaitable d'as- sembler les pièces en matériau composite à l'aide d'un matériau de même nature. On connaît déjà d'après le document US-A-4 353 966, un procédé de liaison d'objets réalisés dans un matériau composite à base d'une matrice de verre renforcée par des fibres de carbone Ce procédé consiste à appliquer à la surface d'au moins l'un des deux objets à assembler, un mélange de verre à faible point de ramollissement et d'un matériau à haut point de ramollissement et à faible coefficient de dilatation thermique Ensuite, les deux objets sont assemblés et on effectue une compaction à chaud. On connaît également d'après le document US-A- 4 724 020, un procédé d'assemblage d'éléments céra- miques par chauffage puis par application d'une haute tension électrique Plus précisément, deux torches sont disposées de part et d'autre des éléments à as- sembler et la ligne de contact entre les deux éléments est chauffée à l'aide de ces torches Ensuite, on applique, entre ces deux torches, une tension comprise entre 1000 et 10 000 volts Ce procédé est applicable aux céramiques conductrices d'électricité à haute température. Enfin, on connaît d'après le document US-A-4 156 051, un procédé de fabrication de pièces de formes complexes en céramique Ces pièces sont par exemple les différents éléments d'un rotor de turbine Ce procédé consiste à réaliser une pluralité d'éléments constitutifs de la pièce finale, par moulage d'un matériau céramique tel que le nitrure de silicium, le nitrure d'aluminium ou le carbure de silicium, chaque élément ayant une densité supérieure à 98 % de la valeur théorique et une résistance à la flexion importante Ces éléments sont ensuite assemblés directement les uns aux autres sans matière étrangère intermédiaire, par compaction à chaud La résistance à la flexion des parties jointes est égale à celle des autres parties de la pièce. Ces divers procédés ne sont toutefois abso- lument pas adaptés à l'assemblage de pièces comprenant des renforts en fibres céramiques En effet, lors de l'assemblage, il est préférable de conserver la continuité du matériau au niveau de sa liaison, pour des raisons de résistance spécifique. En conséquence, l'invention a pour objet un procédé d'assemblage d'au moins deux pièces réalisées dans un matériau composite comprenant une matrice céramique ou vitrocéramique renforcée par des fibres céramiques. Selon les caractéristiques de l'invention, ce procédé comprend les étapes consistant à: approcher deux des pièces le long de leurs bords respectifs à assembler, réaliser un joint entre ces deux pièces, ce joint comprenant des fibres céramiques, et chauffer ce joint par des moyens permettant un chauffage puissant et extrêmement localisé, jusqu a souder les deux pièces entre elles. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le joint entre les deux pièces est réalisé par couture, avec un lien, des fibres céramiques provenant de chacune des pièces, puis éventuellement par dépôt supplémentaire de poudre d'un matériau d'apport céramique ou vitrocéramique autour des fibres cousues. Ce premier mode de réalisation s'applique plus particulièrement au cas d'une réparation de deux fragments provenant d'une pièce rompue, dans lequel chaque fragment présente encore à son extrémité libre rompue de façon irrégulière, des morceaux de fibres céramiques Il est alors possible de coudre ces fibres et de réaliser un joint dans le même matériau que la pièce. Selon un second mode de réalisation, le joint entre les deux pièces est réalisé par ajout entre ces deux pièces, d'une matière comprenant au moins un matériau d'apport céramique ou vitrocéramique et au moins un liant et dans laquelle sont dispersées des fibres céramiques courtes ou "whiskers". Ce procédé s'applique indifféremment à l'as- semblage de deux pièces unitaires d'un ensemble de grandes dimensions ou à la réparation de deux pièces rompues. Le joint présentant des fibres céramiques, conserve la continuité du matériau au niveau de la liaison des deux pièces. Enfin, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, le joint entre les deux pièces est réalisé par l'introduction d'un insert entre celles-ci, cet insert étant réalisé en matériau composite compre- nant au moins un matériau d'apport céramique ou vitro- céramique renforcé par des fibres céramiques. Ce procédé s'applique plus particulièrement à l'assemblage de deux unités d'un ensemble, puisque les bords de chaque unité doivent être aménagés pour recevoir l'insert. De façon avantageuse, les fibres de céramique sont choisies parmi les fibres d'alumine ou de carbure de silicium. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple purement il- lustratif et non limitatif, cette description étant faite en faisant référence aux dessins joints, dans lesquels: la figure 1 est un schéma illustrant deux pièces avant leur assemblage, les figures 2 et 3 sont des schémas illus- trant deux variantes du premier mode de réalisation de l'invention, les figures 4 et 5 sont des schémas illus- trant respectivement un deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention, et les figures 6, 7, 8 et 9 illustrent de façon schématique diverses techniques de chauffage utilisées dans le procédé selon l'invention. Le procédé d'assemblage selon l'invention est spécifiquement destiné à assembler des pièces réalisées dans un matériau composite comprenant une matrice céramique ou vitrocéramique renforcée par des fibres céramiques A titre d'exemple, les matériaux sous forme de poudre, pouvant être utilisés pour la réalisation de la matrice, sont choisis parmi les verres céramisables du type alumino-silicate de li- thium, alumino-silicate de magnésium, alumino-sili- cate de lithium et de magnésium, alumino-silicate de magnésium et de baryum et alumino-silicate de cal- cium, auxquels on ajoute des liants qui permettent de maintenir la poudre et de donner une consistance à l'ensemble. Les fibres céramiques permettant le renfort de ces matériaux sont par exemple des fibres de carbure de silicium (Si C) ou des fibres d'alumine (A 1203). Les pièces à assembler peuvent être constituées par des matériaux en composite céramique/céramique de même nature ou de nature différente. En outre, l'architecture des fibres de chaque -pièce peut être identique ou différente A titre d'exemple, elle peut être composée de nappes unidi- rectionnelles O /0 O, ce qui signifie qu'une fois les deux pièces assemblées, leurs fibres respectives sont parallèles entre elles L'orientation peut être égale- ment de 00/900, ce qui signifie que les fibres des deux pièces à assembler sont perpendiculaires entre elles, on peut également avoir une orientation de 450/450, pour ne citer que les exemples d'orientation les plus fréquents. Par ailleurs, l'empilement des nappes unidirec- tionnelles peut conjuguer les différentes orientations possibles. 3 D'autres architectures de fibres peuvent être employées, les plus connues sont les tissus et les textures 2,5 D Contrairement aux nappes unidirection- nelles en plan, les tissus sont formés de fibres tis- sées entre elles Parmi les tissus, on peut utiliser par exemple, le taffetas, le satin, le sergé ou le tissu déséquilibré Ces tissus ont dif- férents avantages, en fonction de l'orientation des fibres qui les constituent Le taffetas est plus facile à manipuler et le satin se déforme plus facilement ce qui permet de l'utiliser pour la réalisation de pièces de forme Enfin, on peut également orienter ces textures de manière à augmenter le nombre de fibres dans la direction o les sollicitations sont les plus importantes. Les textures 2, 5 D sont par exemple des tissus en deux dimensions ( 2 D) avec un fil de liaison dans la troisième direction pour assurer une plus grande résistance encore à l'ensemble et principalement une liaison entre strates, évitant les délaminages. Le procédé selon l'invention consiste de maniè- re générale à approcher les deux pièces à assembler -ou à réparer, le long de leurs bords respectifs à assembler, à réaliser entre elles un joint comprenant des fibres céramiques, de façon à assurer la continuité des deux pièces et à chauffer le joint ainsi réalisé par des moyens permettant un chauffage puissant et extrêmement localisé, jusqu'à souder les deux pièces entre elles. Le joint comprenant des fibres céramiques peut être réalisé de plusieurs façons. La figure 1 illustre le cas o il est néces- saire de procéder à une réparation, c'est-à-dire d'as- sembler deux pièces 1 et 3 qui ont été rompues Au niveau de leurs bords respectifs 5 à assembler, ces deux pièces présentent des fragments de fibres de céramique 7, car la rupture ne s'est pas faite de façon nette Ces fibres ont été représentées de façon arbitraire selon une orientation 450/450. Un premier mode de réalisation du joint entre ces deux pièces est illustré en figure 2 Les fibres 71 et 73 dépassant respectivement des bords des deux pièces 1 et 3 ont été représentées Les deux pièces 1 et 3 sont rapprochées de façon à ce que les fibres 71 dépassant de la pièce 1 recouvrent les fibres 73 dépassant de la pièce 3, par exemple Le joint 8 entre les deux pièces est ensuite effectué par couture des fibres 71 et 73 ou plus précisément par piquage, à l'aide d'un lien 9 Le piquage assure le maintien des fibres 71, 73 dans l'épaisseur De préférence, ce lien 9 est réalisé dans une fibre de même nature que celle de la texture des pièces. Dans une première variante de réalisation du joint, le chauffage est alors directement effectué sur la matrice vitrocéramique des pièces 1 et 3 qui par refusion forme un joint entre-elles. Dans une seconde variante de réalisation, on ajoute en outre, de part et d'autre de la couture ainsi réalisée, une certaine quantité de poudre d'un matériau d'apport 11 céramique ou vitrocéramique, et on effectue une refonte locale à l'aide de moyens de chauffage qui seront décrits ultérieurement, de façon à recréer le joint 8 entre les deux pièces. Dans ce mode de réalisation, ainsi que dans les sui- vants, le matériau d'apport 11 est avantageusement de même nature que la matrice céramique ou vitrocéramique utilisée pour fabriquer les pièces 1 et 3 assemblées (voir notamment les exemples précédemment cités). Ce matériau d'apport 11 est utilisé lorsque le jeu à combler entre les deux pièces 1 et 3 est important sinon il n'est pas nécessaire. Une seconde technique de couture des fibres 71 et 73 est illustrée en figure 3 On utilise dans ce cas comme lien, une fibre longue continue 10 traver- sant les fibres 71 et 73 en épaisseur et dans le plan du joint 8 Cette fibre longue 10 est de préférence réalisée dans un matériau de même nature que celles de la texture des pièces On dépose ensuite éventuel- lement sur les fibres 71 et 73, une couche de matériau d'apport 11 comme cela a été décrit précédemment pour la figure 2 On forme ainsi le joint 8. La figure 4 illustre un second mode de réali- sation du joint selon l'invention Cette étape du procédé peut être réalisée aussi bien pour assembler deux pièces qui se sont rompues avec une coupure régu- lière (ou non) que deux pièces unitaires d'un ensem- ble On a représenté sur cette figure 4, l'assemblage d'une pale d'aube 13 sur une plateforme 15, ces deux pièces étant réalisées dans un matériau composite identique à celui des pièces 1 et 3 Dans ce cas, on place dans l'intervalle entre l'aube et la plate- forme une "barbotine de verre" destinée à former le joint 17 entre les deux pièces Cette barbotine est constituée d'un mélange d'au moins un type de matériau d'apport 11 précédemment décrit et d'au moins un liant servant à assurer le maintien de l'ensemble, dans lequel sont dispersées des fibres céramiques courtes 16 ou fibrilles, de préférence de même nature que les fibres des pièces 13 et 15 à assembler On ap- plique ensuite sur ce joint 17 des moyens de chauf- fage Par ailleurs, il est possible de combiner les deux techniques d'assemblage qui viennent d'être décrites aux figures 2 et 3, -(à savoir l'imbrication des fibres céramiques avec liaison entre elles par couture) et l'introduction-de fibres courtes dans un matériau d'apport (barbobine) Cette technique donne une meilleure continuité du matériau, donc une solidité plus grande encore de la soudure réalisée. La figure 5 illustre le mode de réalisation du joint permettant d'assembler deux pièces unitaires 19, 21 utilisées pour la fabrication d'une pièce de grandes dimensions, ici une virole 23 Dans ce cas, la fabrication des pièces 19, 21 ne permet pas de laisser des fibres céramiques apparentes En consé- quence, ce procédé consiste à utiliser un insert 25 introduit entre les deux pièces 19 et 21 à assembler. L'insert 25 présente une forme spécifique, adaptée à la configuration des deux pièces 19 et 21 et de plus, les extrémités de ces pièces sont conçues pour recevoir cet insert Dans l'exemple particulier repré- senté, les extrémités des pièces 19 ou 21 se faisant face présentent une gouttière 27 en U destinée à rece- voir l'insert 25 Cet insert est réalisé dans un maté- riau composite comprenant un matériau d'apport 11 céramique ou vitrocéramique, renforcé par des fibres céramiques 16 On applique ensuite les moyens de chauf- fage pour réaliser le joint 29 des deux pièces. Dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, le matériau d'apport 11 et les fibres céramiques 16 sont choisis avantageusement parmi les exemples donnés précédemment au début de cette descrip- tion. Les moyens de chauffage utilisés doivent permettre d'introduire une très grande quantité d'énergie dans un faible volume, afin d'obtenir de façon très localisée, une refusion du matériau d'apport et une rediffusion vers le matériau de la matrice constituant les pièces. Parmi ces moyens de chauffage, on peut citer par exemple, le chauffage par micro-ondes à l'aide d'une cavité résonnante de 2,45 G Hz (voir figure 6), il le chauffage par induction, généralement avec un suscepteur (voir figures 7 et 8), le chauffage par des lampes à infrarouge (non représenté) ou le traitement de surface au faisceau laser (voir figure 9) Les moyens de chauffage seront choisis en fonction de la géométrie des pièces et de la nature des joints à réaliser. Comme illustré en figure 6, deux pièces 19 et 21 d'une virole 23 sont assemblées dans une cavité de résonnance 31 La technique d'assemblage des fibres est celle utilisée aux figures 2 et 3 L'assemblage terminé porte la référence 33. La figure 7 est similaire à la figure 6, si ce n'est que le chauffage est réalisé à l'aide d'un inducteur 35 et d'un suscepteur 37. La figure 8 illustre le chauffage par induction appliqué à la pale d'aube 13 et la plateforme 15. Enfin, la figure 9 illustre le chauffage du joint 17 réalisé entre la pale 13 et la plateforme 15, par un faisceau laser 39. L'utilisation de ces moyens de chauffage très localisé permet de ne pas avoir à introduire d'agents fondants dans le matériau d'apport, ce qui abaisserait la température de fusion par un traitement global par exemple Au contraire, on peut se servir comme matériau d'apport d'une matière identique à celle utilisée pour la réalisation des pièces L'intérêt principal de la technique de l'invention est de ne pas limiter la température d'utilisation de l'assembla- ge, à la température de fusion d'un matériau d'apport avec agents fondants (plus basse que celle de la matri- ce d'origine) Ce type de chauffage localisé permet de travailler même sur des pièces comprenant des compo- sants métalliques ou des éléments composites dont la température de fusion est inférieure à celle du matériau principal. Enfin, on notera que si l'on a toujours décrit l'assemblage de deux pièces, il est également possible d'en assembler un plus grand nombre simultanément. REVENDICATIONS 1 Procédé d'assemblage d'au moins deux pièces ( 1, 13, 19; 3, 15, 21) réalisées dans un matériau composite comprenant une matrice céramique ou vitro- céramique renforcée par des fibres céramiques, caracté- risé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: approcher deux des pièces ( 1, 13, 19; 3, , 21) le long de leurs bords respectifs ( 5) à as- sembler, réaliser un joint ( 8, 17, 29) entre ces deux pièces, ce joint comprenant des fibres céramiques ( 71 î 73, 16), et chauffer ce joint ( 8, 17, 29) par des moyens permettant un chauffage puissant et extrêmement loca- lisé, jusqu'à souder les deux pièces ( 1, 13, 19; 3, 15, 21) entre elles. 2 Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint ( 8) entre les deux pièces ( 1; 3) est réalisé par couture, avec un lien ( 9, 10), des fibres céramiques ( 71, 73) provenant de chacune des pièces ( 1; 3) à assembler. 3 Procédé d'assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on réalise le joint ( 8) entre les deux pièces ( 1, 3) en déposant de la poudre d'un matériau d'apport ( 11) céramique ou vitrocéramique autour des fibres ( 71 î 73) cousues. 4 Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint ( 17) entre les deux pièces ( 13, 15) est réalisé par ajout entre ces deux pièces, d'une matière comprenant au moins un matériau d'apport céramique ou vitrocéramique ( 11) et au moins un liant et dans laquelle sont dispersées des fibres céramiques courtes ( 16). 5 Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint ( 29) entre les deux pièces ( 19, 21) est réalisé par l'introduction d'un insert ( 25) entre celles-ci, cet insert ( 25) étant réalisé en matériau composite comprenant au moins un matériau d'apport ( 11) céramique ou vitrocéramique renforcé par des fibres céramiques ( 16). 6 Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau formant la matrice se présente sous forme de poudre et est choisi parmi les verres céramisables du type alumino-silicate de lithium, alumino-silicate de magnésium, alumino-sili- cate de lithium et de magnésium, alumino-silicate de calcium ou aluminosilicate de magnésium et de baryum. 7 Procédé d'assemblage selon la revendication 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le matériau d'ap- port ( 11) est de même nature que le matériau utilisé pour former la matrice céramique ou vitrocéramique. 8 Procédé d'assemblage selon l'une des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que les fibres céramique ( 71, 73, 16) sont choisies parmi les fibres d'alumine ou de carbure de silicium. 9 Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont choisis parmi le chauffage par micro-ondes ( 31), l'in- duction ( 35, 37), les lampes à émission infrarouge ou le traitement de surface par faisceau laser ( 39).