Brevet FR2688445A1 — publié le 19930917

"Forme de départ ou ébauche pour la fabrication de re- vêtements ou de pièces métalliques renforcés par des fibres, et procédé pour sa fabrication " La présente invention concerne une ébauche ou forme de départ pour la fabrication de revêtements ou de pièces métalliques renforcés par des fibres, utilisant des fibres en un matériau très résistant et des métaux de moindre résistance que les fibres ainsi que procédé pour la fabrication de l'ébauche pour des10 revêtements ou des pièces. Selon le document US-3 936 550 on connaît un procédé de fabrication de revêtements ou de pièces mé- talliques renforcés par des fibres, utilisant des fi- bres en un matériau très résistant et du métal tel que15 du titane ou des alliages de titane Selon cet ensei- gnement on presse des fibres entre deux tôles de tita- ne par un procédé isostatique à chaud Ce procédé pré- sente l'inconvénient de ne pas bloquer la position des fibres entre les tôles si bien que les fibres risquent20 de se chevaucher ou de se toucher lors de la compression aboutissant au matériau composite, ce qui affai- blit le matériau composite à ces endroits En outre, les fibres et tôles sont relativement rigides et ne peuvent pas s'appliquer ou se conformer à des pièces25 ou de noyaux avant le pressage isostatique à chaud En outre, les fibres sont réalisées dans des oxydes de bore qui perdent leur résistance déjà lorsqu'elles sont soumises à de faibles contraintes thermiques et se déforment plastiquement. Un autre inconvénient des ébauches connues formées de plaques de titane et de fibres d'oxydes de bore est que lors de la compression de l'ébauche pour les plaques métalliques renforcées de fibres, la den- sité de compactage des fibre est limitée Dans ces pièces à plusieurs couches de fibres superposées, lorsqu'on utilise l'ébauche connue selon le document US-A-3 936 550, entre chaque couche de fibres on a une plaque métallique ce qui limite la densité de compac- tage des fibres Dans le cas d'une densité de compac- tage élevée de fibres à l'intérieur d'une couche de fibres on risque qu'à la compression pour former un métal renforcé par des fibres, il n'y ait pas suffi- samment de matière métallique qui pénètre entre les fibres et les pores et que des criques et des cavités subsistent du métal de la matrice dans la matière com- posite Or, ces pores, criques ou cavités créent des affaiblissements du matériau et constituent des zones de grand risque de rupture pour les fibres. La présente invention a pour but de dévelop- per une ébauche ou forme de départ correspondant au type défini cidessus, qui se conforme à des pièces ou des noyaux, sans provoquer de décalage des couches de fibres De plus, cette ébauche doit permettre un autre traitement, sans pores, pour former un matériau compo- site et des pièces métalliques renforcées de fibres à forte densité de compactage des fibres et d'autoriser des procédés de compression thermique sans endommager les fibres de l'ébauche. A cet effet, l'invention concerne un procédé caractérisé en ce que les fibres sont alignées paral- lèlement à l'axe et sont noyées de manière écartées les unes des autres dans des mailles de fils métalli- ques tricotées, ces fibres étant très réfractaires. Cette ébauche offre l'avantage d'être extrê- mement flexible sur le plan mécanique et que sa flexi- bilité dépasse celle des structures en tissu ou en feutre C'est pourquoi il trouve des applications plus large et permet des structures de métal renforcé par des fibres que l'on ne pouvait réaliser jusqu a pré- sent par pressage ou compression d'ébauches selon l'invention La densité de compression des fibres est seulement limitée par l'épaisseur des fils des mailles métalliques tricotées Une ébauche selon l'invention comprimée pour former une pièce métallique renforcée des fibres, un produit métallique semi fini ou un re- vêtement métallique ne présentent ni criques ni cavi- tés ni pores, qui ne contiendraient pas de métal de la matrice car les mailles de fils métalliques entourent complètement chaque fibre L'utilisation de fibres très réfractaires dans l'ébauche permet d'envisager avantageusement d'autres traitements de l'ébauche par des procédés de compression thermique. Un matériau préférentiel pour les fibres est le carbure de silicium Ce matériau permet non seule- ment des températures de traitement ultérieur, très élevées, mais offre également une résistance extrême- ment élevée Lorsqu'on utilise de manière préféren- tielle des fibres longitudinales en carbure de sili- cium, on peut fabriquer des ébauches longues et extrê- mement souples susceptibles d'être enroulées. Pour améliorer la possibilité de traitement de l'ébauche et perfectionner les possibilités de com- pactage de l'ébauche ainsi que pour améliorer l'écar- tement entre les fibres, les fibres sont de préférence des fibres longues en carbure de silicium avec un re- vêtement métallique dans le même métal ou des alliages métalliques analogues ainsi que des mailles de fils métalliques Ce revêtement métallique des fibres per- met d'augmenter également la densité de compactage des fibres. Selon une réalisation préférentielle de l'é- bauche, les mailles de fils métalliques sont combinées en section, suivant un triangle avec leurs boucles d'accrochage Cela offre l'avantage d'avoir au centre de gravité de la surface de chaque noeud triangulaire une fibre comme fil de trame Du fait que chaque noeud triangulaire soit combiné à ses sommets à une maille voisine ou à une boucle voisine, permet de déformer avantageusement l'ébauche et de l'adapter à la pièce ou au moule sans que les fibres ou les fibres revêtues ne se touchent ou ne s'ouvrent ou ne se déplacent. Cela permet d'utiliser avantageusement la possibilité de drapage d'un tel tricot pour la fabrication de piè- ces métalliques renforcées de fibres. On réalise une densité de compactage élevée selon un mode de réalisation préférentiel de l'ébauche du fait que les mailles de fils métalliques pour une ébauche d'épaisseur constante se complètent en alter- nance avec un sommet et un côté des mailles de fils métalliques triangulaires, combinés Un fil métallique inférieur forme ainsi une maille de fil métallique de- bout sur un côté, pour une coupe transversale de l'é- bauche et un fil métallique supérieur forme une maille placée sur sa pointe alors que les boucles correspon- dantes constituent en alternance un noeud entre le fil métallique supérieur et le fil métallique inférieur. Cela permet de fabriquer avantageusement des nappes très minces pour les ébauches, les deux couches de fi- bres étant décalées l'une par rapport à l'autre. Alors que les fibres ont une longueur quel- conque, les mailles de fil métallique, selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, sont tri- cotées à partir de fils métalliques sans fin Cela présente l'avantage de permettre la fabrication peu coûteuse des ébauches sur des machines à tricoter in- dustrielles. De manière également avantageuse, pour aug- menter la densité de compactage, les fibres consti- tuent avantageusement les fils de trame placés dans les mailles, les fibres entourées par les mailles de fils métalliques inférieurs constituant une couche in- férieure et les fibres intégrées dans les mailles de fils métalliques supérieurs constituant une couche su- périeure La plus forte densité de compactage s'ob- tient avantageusement par la disposition décalée des fibres entre la couche supérieure et la couche infé- rieure. Dans le cas d'ébauches épaisses, les fibres sont bloquées dans plus de deux couches dans le tricot formé-de mailles, avec ou sans boucle On réalise ain- si avantageusement des ébauches d'épaisseur quelcon- que. Comme métal préférentiel, les mailles de fils métalliques sont en titane Des pièces en titane s'utilisent notamment dans la construction de moteurs en constituant des pièces légères et résistant aux températures élevées, aux flux gazeux agressifs et aux contraintes de traction importantes On améliore ces propriétés par renforcement par des fibres, par exem- ple dans la direction de traction, permettant ainsi des sollicitations plus élevées de ces pièces et une plus grande fiabilité des moteurs. Pour fabriquer une ébauche on utilise avan- tageusement les fils comme fils de trame en les gui- dant dans la machine à tricoter, de façon parallèle à l'axe pour les intégrer par tricotage dans les mailles de fils métalliques Pour cela, on fournit avantageu- sement les fibres sous forme de fibres longues dévi- dées de bobines d'alimentation pour la machine à tri- coter alors que dans la direction transversale, les fibres sont intégrées dans le tricot à mailles étroi- tes formées d'un fil métallique mince. Une utilisation préférentielle de l'ébauche selon l'invention correspond à la fabrication de pla- ques de titane renforcées par des fibres, de bagues en titane ou de semi produits en titane, une ébauche en fibres et en mailles de titane étant placée séparément ou en plusieurs couches superposées, en recevant un enroulement annulaire, pour être compactée par com- pression isostatique à chaud formant des plaques de titane, des anneaux en titane ou des produits semi fi- nis en titane, renforcés par des fibres Les plaques, anneaux ou produits semi finis fabriqués à partir d'é- bauches selon l'invention se caractérisent par une ré- partition régulière des fibres dans une matrice métal- lique en titane. Une autre application préférentielle de l'é- bauche est son application dans un procédé de fabrica- tion d'une pièce auto-portante en titane renforcé par des fibres; une ébauche en fibres et en mailles de fils de titane est appliquée en une ou plusieurs cou- ches sur un noyau et est comprimée par compression isostatique à chaud; puis on enlève le noyau Cet en- lèvement du noyau peut se faire dans le cas d'une structure ouverte de la pièce, par simple extraction. Dans le cas de pièces fermées, on peut avoir un noyau de structure divisible ou encore par exemple l'élimi- ner en le brûlant ou en l'attaquant chimiquement L'u- tilisation de l'ébauche selon l'invention dans ce pro- cédé offre l'avantage d'adapter la direction des fi- bres à toutes les conditions exigées par la construc- tion et que même pour des couches de fibres qui se croisent, on évite tout contact ou tout frottement des fibres les unes sur les autres De plus, on peut fa- briquer dans ce matériau, des aubes de moteurs pour la zone des pales, permettant avantageusement une très grande contrainte en traction dans la direction de l'axe des aubes. De plus, cette ébauche s'utilise avantageu- sement pour la fabrication de pièces annulaires auto- portantes telles que des bandes de recouvrement de ro- tors de turbines avec des pointes d'étanchéité et des brides en forme de disques, en enroulant tout d'abord une pièce annulaire avec une ébauche avec des mailles en titane ou dans le matériau des pales puis en enrou- lant les pointes d'étanchéité et la bride en forme de disque avec des fibres longues en Si C, revêtues de ti- tane ou revêtues du matériau des pales, ou encore en enroulant sur les moules négatifs de l'ébauche annu- laire puis en comprimant de manière isostatique à chaud, les fibres longues et l'ébauche pour former une pièce La plus grande résistance à la traction de ces bandes de recouvrement permet, d'une part, d'équiper également des rotors avec une bande de recouvrement, dynamique, entraînée en rotation et stable sur le plan thermique et qui soit fermée; de plus, le joint de l'intervalle peut se faire par-dessus les pointes d'é- tanchéité disposées radialement vers l'extérieur, ce qui permet une augmentation supplémentaire du rende- ment des turbines à gaz. L'ébauche est utilisée de préférence égale- ment pour des procédés de revêtement selon lesquels on place l'ébauche en une ou plusieurs couches sur la pièce, on enroule, on colle, on brase, on soude par diffusion ou on soude par points et on comprime par compression isostatique à chaud, le revêtement renfor- cé par des fibres sur la pièce. Ce procédé de revêtement offre l'avantage de permettre le renforcement de pièces très sollicitées comme des arbres de moteurs en des métaux légers avec un revêtement augmentant leur résistance En outre, les pales du moteur peuvent être plus minces dans leur zone de travail et être ainsi réalisées de manière plus légère. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de divers exemples de réalisation représentés aux dessins dans lesquels: la figure la est une coupe transversale d'une ébauche à deux couches. la figure lb est une vue de dessus d'une ébauche à deux couches. la figure 2 montre une ébauche comprimée pour donner une plaque de titane renforcée par des fi- bres, avec plusieurs couches à compression isostatique à chaud. la figure 3 montre une ébauche enroulée autour d'un tube. la figure 4 montre une ébauche enroulée sur un tube après compactage pour former un revêtement de tube pour un arbre de moteur renforcé par des fi- bres. la figure 5 montre un rotor avec une bande de recouvrement formée à partir d'une ébauche et de fibres longitudinales en couches. la figure 6 est une coupe transversale d'une bande de recouvrement selon la figure 5. la figure 7 montre l'enroulement sur un moule de bande de recouvrement, d'une ébauche et de fibres longues revêtues de métal. la figure 8 est une coupe transversale du moule de la bande de recouvrement enroulée, avant le pressage hydrostatique. La figure la est une coupe transversale d'u- ne ébauche 1 à deux couches, avec des fibres 2 paral- lèles à l'axe, et qui sont noyées dans des mailles de fils métalliques 3 Les mailles de fils métalliques 3 forment avec les fibres 2, une nappe qui est flexible et souple De telles ébauches 1 peuvent être superpo- sées et on peut adapter la direction des fibres 2 aux exigences constructives En compactant par compression isostatique à chaud, en partant d'une ébauche, on peut fabriquer une bande métallique renforcée par des fi- bres, qui offre une densité de compactage élevée pour les fibres 2, chaque fibre 2 étant alors complètement enrobée de métal Les fibres 2 ont une épaisseur com- prise entre 20 et 150 x 10-6 m et le diamètre du fil métallique est compris entre 20 et 80 x 10-6 m. Une couche supérieure 25 de fibres 2 est en- tourée par les mailles supérieures 26 de fils métalli- ques; les boucles 27 des mailles 28 inférieures, en fils métalliques et les boucles 31 des mailles supé- rieures 28 en fils métalliques réunissant les mailles supérieures 26 et les mailles inférieures 28 de fils métalliques La combinaison triangulaire fait que la couche supérieure 25 de fibres 2 soit décalée par rap- port à la couche inférieure 29 de fibres 2 Les fibres 2 de la couche inférieure 29 sont entourées par les mailles inférieures 28 de fils métalliques et par les boucles 31 des mailles supérieures 26 en films métal- liques Chaque maille en fil métallique est ainsi com- binée à une maille voisine par une liaison triangulai- re Ce tricot se caractérise par une très grande pos- sibilité de drapage et de souplesse. La figure lb montre en vue de dessus une ébauche 1 à deux couches Cette figure montre claire- ment l'alignement des fibres 2 parallèles à l'axe; la couche supérieure 25 des fibres 2 et la couche infé- rieure 29 des fibres 2 sont entourées de tous côtés par tricotage Ce n'est que dans un but de clarifica- tion que les mailles métalliques 3, 26, 28 sont écar- tées Pour l'ébauche 1 traversée par les fibres, les mailles de fils métalliques 3, 26, 28 sont tricotées d'une manière extrêmement étroite pour que chaque fi- bre soit entourée pratiquement complètement par du fil métallique et qu'une compression isostatique à chaud de l'ébauche aboutit à une matrice métallique sans po- res. La figure 2 montre une ébauche à plusieurs couches, comprimée de manière isostatique à chaud pour former une plaque de titane 4 renforcée par des fi- bres Dans cet exemple on a seulement superposé deux ébauches et on les a comprimées, les fibres 2, en car- bure de silicium, étant alignées dans la même direc- tion La compression isostatique à chaud entraîne que les fibres 2 en carbure de silicium sont complètement comprimées et enrobées régulièrement par une matrice de titane. La figure 3 montre une ébauche 1 enrobée en deux couches sur un tube 7, la direction de l'enroule- ment faisant un angle par rapport à l'axe du tube et la première couche 9 est enroulée suivant un angle différent de celui de la seconde couche 6 De telles ébauches 1, enroulées, peuvent être travaillées pour constituer une pièce auto-porteuse, si on extrait ou élimine par attaque chimique le tube après pressage isostatique à chaud. La figure 4 montre une ébauche enroulée sur un tube 7, après compactage par pressage isostatique à chaud-pour former une couche tubulaire 8 comme arbre de moteur, renforcé par des fibres Le revêtement 8 il renforcé par des fibres, très résistant du tube 7, qui dans cet exemple est en aluminium, permet de réaliser un arbre de moteur, extrêmement rigide en torsion et léger. La figure 5 montre un rotor avec une bande de couverture 11 formée à partir d'une ébauche ainsi qu'en plus des fibres longues revêtues de titane, et entourant radialement l'extérieur, de façon annulaire, les aubes 12 L'intervalle d'étanchéité 13 entre le carter 14 de la turbine et le rotor 10 et qui est for- mé par le disque 22 du rotor, la couronne 23 des aubes 12 et la bande de recouvrement 11, est rendu minimum par des pointes d'étanchéité faisant corps avec la bande de recouvrement 11 et qui sont particulièrement efficaces Ces pointes d'étanchéité 15 apparaissent clairement à la figure 6, par une vue en coupe trans- versale d'une bande de recouvrement 11 selon la figure La bande de recouvrement 11 se compose principale- ment d'une bande de recouvrement annulaire 16, de deux brides plates 17, 18 sur les surfaces annulaires exté- rieures et des pointes d'étanchéité 15 Le rayon inté- rieur de la bande de recouvrement annulaire 16 augmen- te de la bride 17 jusqu'à la bride 18. Pour fabriquer une telle pièce en titane renforcé par des fibres, il faut tout d'abord enrouler l'ébauche 1 selon l'invention pour la bande de recou- vrement annulaire 16 sur un moule 19, dans la direc- tion de la flèche A comme cela est indiqué à la figure 7, suivant plusieurs couches Les brides 17 et 18 des pointes d'étanchéité 15 peuvent être enroulées avec des fibres longues de Si C, 20, revêtues de titane, comme le montre la figure 8 qui laisse apparaître des fibres longues revêtues de titane enroulées sur le moule 19 La surface extérieure libre de l'ébauche 1 et des fibres longues 20 en Si C, revêtues de titane, sont encapsulées et mises sous vide une fois l'enrou- lement réalisé L'ensemble avec le moule 19 et l'ébau- che enroulée 21 ainsi que les moyens d'encapsulage (non représentés) sont alors comprimés isostatiquement à chaud Après cette phase de compression, on sépare le moule 19 en plusieurs pièces de la pièce en métal renforcé par des fibres et on libère la pièce auto- porteuse de ses moyens d'encapsulage; on monte la pièce, comme indiqué à la figure 5, sur les aubes 12 puis on met en place la couronne d'aubes 23 et la ban- de de recouvrement 11 sur le disque 22 du rotor. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Ebauche ou forme de départ pour la fa- brication de revêtements ou de pièces métalliques ren- forcés par des fibres, utilisant des fibres en un ma- tériau très résistant et des métaux de résistance moindre que celle des fibres, ébauche caractérisée en ce que les fibres ( 2) sont alignées parallèlement à l'axe et sont noyées de manière écartées les unes des autres dans des mailles de fils métalliques ( 3), tri- cotées, ces fibres étant très réfractaires. ) Ebauche ou forme de départ selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les fibres ( 2) sont des fibres en carbure de silicium. ) Ebauche ou forme de départ selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les fibres sont des fibres de carbure de silicium ( 20) avec un revêtement métallique du même métal ou d'alliages mé- talliques analogues à ceux des mailles de fils métal- liques ( 3). 40) Ebauche ou forme de départ selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28) sont nouées entre elles par des boucles d'accrochage ( 27, 31) de section triangulaire. 50) Ebauche ou forme de départ selon l'une les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble, caractérisée en ce que les mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28) se complètent pour former une ébauche ou forme de départ d'épaisseur constante, se composant de mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28) nouées en triangle, qui sont en alternance placées sur un sommet et sur un côté, un fil métallique inférieur formant les mailles en fils ( 28) inférieures, debout sur un côté et un fil métallique supérieur formant les mail- les supérieures debout sur un sommet et les boucles correspondantes ( 27, 31) sont nouées en alternance en- tre le fil métallique supérieur et le fil métallique inférieur. ) Ebauche ou forme de départ selon l'une les revendications 1 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisée en ce que les mailles en fils métalliques ( 3, 26, 28) sont tricotées à partir d'un fil métalli- que sans fin. ) Ebauche ou forme de départ selon l'une les revendications 1 à 6 prises dans leur ensemble, caractérisée en ce que les fibres ( 2) placées dans les mailles sont des fils de trame et ces fibres sont ré- parties entre une couche supérieure ( 25) et une couche inférieure ( 29), la couche inférieure ( 29) étant for- mée par les fibres ( 2) qui sont entourées par les mailles inférieures de fils métalliques ( 28 et la cou- che supérieure ( 25) des fibres ( 2) est intégrée comme fils de trame dans les mailles supérieures ( 26). ) Ebauche ou forme de départ selon l'une les revendications 1 à 7 prises dans leur ensemble, caractérisée en ce que les fibres ( 2) sont bloquées dans le tricot de mailles ou par des boucles ( 27, 31) dans plus de deux couches ( 25, 29), d'une manière éta- gée. 90) Ebauche ou forme de départ selon l'une les revendications 1 à 8 prises dans leur ensemble -, caractérisée en ce que les mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28) sont en titane. ) Procédé de fabrication pour la mise en oeuvre d'une forme de départ ou ébauche selon les re- vendications 1 à 9 prises dans leur ensemble, carac- térisé en ce que les fibres ( 2) sont des fils de trame guidés parallèlement à l'axe d'une machine à tricoter et sont intégrés dans le tricotage des mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28). ) Procédé de fabrication de pièces en ti- tane renforcées par des fibres, des plaques de titane ( 4), des anneaux en titane ou des produits semi finis en titane, à partir d'une ébauche ( 1) selon les reven- dications 1 à 8 prises dans leur ensemble, caractéri- sé en ce que les mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28) sont en titane et on place l'ébauche ( 1) en une ou plusieurs couches ( 25, 29) superposées ou on l'enroule suivant un anneau et on compacte par compression isos- tatique à chaud pour former des plaques de titane ren- forcées par des fibres, des anneaux en titane, des produits semi finis en titane ou des pièces en titane. 12 ') Procédé de fabrication d'une pièce au- to-porteuse formée de titane renforcé par des fibres en utilisant l'ébauche selon les revendications 1 à 9, prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28) sont en titane et l'ébauche est placée en une ou plusieurs couches sur un noyau pour être comprimée par pressage isosta- tique à chaud suivi d'un enlèvement du noyau. ) Procédé de fabrication d'une pièce an- nulaire auto-porteuse telle qu'une bande de recouvre- ment pour les rotors à aubes de turbines avec des pointes d'étanchéité et des brides planes utilisant une ébauche selon les revendications 1 à 9 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les mailles de fils métalliques ( 3, 26, 28) sont en titane ou dans le matériau des aubes et on enroule tout d'abord l'ébau- che ( 1) pour former une pièce annulaire puis on bobine les pointes d'étanchéité ( 15) et les brides ( 17, 18) en forme de bandes avec des fibres longues ( 20), Si C, revêtues de titane ou revêtues du matériau des aubes ou on bobine sur l'ébauche annulaire sur des moules négatifs puis on comprime par compression isostatique à chaud les fibres longues et l'ébauche pour former une pièce. ) Procédé de revêtement de pièces utili- sant une forme de départ ou une ébauche selon les re- vendications 1 à 9 prises dans leur ensemble, caracté- risé en ce que l'ébauche est mise en place comme pièce à une ou plusieurs couches, est bobinée et collée, soudée, soudée par diffusion ou par points puis est comprimée par compression isostatique sur la pièce pour former un revêtement renforcé de fibres ( 8).