Brevet FR2702974A1 — publié le 19940930

i Procédé de liaison et de mise en forme superplastique et empilage pour celui-ci. La présente invention concerne un procédé de liaison et de mise en forme super plastique de composants pour fabriquer des articles composites et, de manière plus particulière, concerne l'agencement par lequel un fluide peut être injecté dans un empilage de composants pour gonfler les composants pendant la mise en forme superplastique. Une liaison par diffusion et une mise en forme super plastique combinées (DB/SPF) est une technique établie pour fabriquer des articles composites à partir de matériaux qui présentent des propriétés superplastiques à des niveaux de température élevés (ces matériaux sont principalement le titane, l'aluminium et les alliages de ces métaux) Dans un procédé DB/SPF connu, un matériau d'arrêt peut être appliqué sur des zones choisies de l'une ou de plusieurs feuilles de matériau superplastique, plusieurs feuilles, y compris les feuilles sur lesquelles le matériau d'arrêt a été appliqué, sont alors réunies en formant un empilage, le matériau d'arrêt étant situé entre des feuilles superpiastiques adjacentes. L'empilage assemblé est ensuite chauffé et comprimé jusqu'à ce que les feuilles soient reliées ensemble par diffusion; cependant, les feuilles ne sont pas reliées dans les zones choisies recouvertes par le matériau d'arrêt puisque le matériau d'arrêt empêche la liaison par diffusion L'étape de mise en forme superplastique est alors menée par chauffage de l'empilage relié dans un moule à une température au niveau de laquelle les composants présentent des propriétés superplastiques, et un gaz inerte est injecté sous haute pression dans les zones non reliées de l'empilage pour ainsi "gonfler" les feuilles selon une structure à trois dimensions ayant une forme extérieure correspondant à la forme du moule Comme cela est bien connu, la configuration de la structure composite finale est fonction, parmi d'autres choses, du nombre de feuilles situées dans l'empilage, de l'emplacement du matériau d'arrêt et de la forme du moule. Afin d'injecter du gaz dans l'empilage, on sait créer une cavité à l'intérieur de l'empilage assemblé (mais non relié) et placer un élément rapporté dans la cavité qui comporte au moins un trou L'empilage assemblé est ensuite soumis à une liaison par diffusion, ce qui fixe l'élément rapporté à l'intérieur de la cavité Pendant la mise en forme superplastique, du gaz est injecté à travers le ou les trous situés dans l'élément rapporté et la cavité est placée de telle sorte que le gaz injecté pénètre dans les zones non reliées de l'empilage relié pour gonfler l'empilage, comme décrit ci-dessus. Il a été découvert qu'un inconvénient important du procédé d'injection de gaz décrit ci-dessus, en particulier lorsqu'on utilise de l'aluminium et des alliages d'aluminium en tant que matériaux superplastiques, est constitué du fait que le ou les trous situés dans l'élément rapporté sont bloqués lors du processus de liaison, ce qui limite ou empêche l'injection de gaz La présente invention surmonte le problème ci-dessus. Le document US 5 205 467 décrit un procédé DB/SPF dans lequel les passages préformés sont protégés vis à vis d'un écrasement pendant la liaison par diffusion en insérant des aiguilles solides dans ceux-ci; après DB, les passages doivent à nouveau être alésés avant que des aiguilles d'injection de gaz ne soient insérées dans les passages o elles sont soudées en position. Le document US 4 220 276 décrit un procédé DB/SPF dans lequel un empilage est formé comportant deux gorges s'étendant vers les zones non arrêtées, un tube d'entrée de gaz est soudé en position et communique avec l'une des gorges et un tube de sortie de gaz est soudé en position et communique avec l'autre gorge. Du gaz est injecté à travers l'entrée de gaz pendant la liaison par diffusion et à un niveau de pression plus élevé pendant la mise en forme superplastique. La présente invention fournit une manière plus simple d'injecter du gaz dans l'empilage que cela n'est offert par les deux descriptions cidessus. Selon la présente invention, il est fourni un procédé de mise en forme d'une structure composite à partir de composants présentant des propriétés superplastiques à des niveaux de température élevés, lequel procédé comporte les étapes consistant à: (a) assembler les composants selon un empilage, l'empilage comportant une cavité, et un élément rapporté d'injection de fluide qui comporte: une partie formant tête située à l'intérieur de la cavité, et un alésage s'étendant au moins partiellement à travers l'élément rapporté, (b) former un empilage relié par liaison des composants dans des zones choisies tout en laissant non reliée au moins une zone située entre des composants adjacents de l'empilage, (c) chauffer l'empilage relié à une température à laquelle les composants présentent des propriétés superplastiques, et (d) injecter un fluide dans ladite au moins une zone non reliée via l'alésage pour former de manière superplastique les composants selon ladite structure composite, caractérisé en ce que: (e) la cavité et la partie formant tête sont formées de manière telle que la partie formant tête est maintenue captive par la cavité, les coefficients de dilatation thermique de l'élément rapporté et du reste de l'empilage sont tels qu'un joint étanche au fluide soit formé entre l'élément rapporté et le reste de l'empilage à des niveaux de température de mise en forme superplastique, (f) l'alésage s'étend vers le bord ou à travers le bord de l'empilage et on peut y accéder via un passage qui s'étend jusqu'au bord de l'empilage, et l'alésage associé à un tel passage quelconque s'étend vers l'intérieur jusque dans l'empilage selon une ligne pratiquement droite, et (g) tout blocage existant dans l'alésage est supprimé avant l'injection de fluide pour fournir une communication de fluide entre l'alésage et ladite au moins une zone non reliée. La communication entre la zone ou les zones non reliées et l'extérieur de l'empilage le long de l'empilage et d'un passage quelconque peut être bloquée de manière délibérée et ouverte uniquement après que les composants aient été reliés et avant l'étape de mise en forme superplastique De préférence, l'élément rapporté comporte un trou borgne et le procédé comporte l'étape consistant à percer le trou borgne pour établir une communication entre la ou les zones non reliées et l'extérieur de l'empilage. Avantageusement, l'alésage situé dans l'élément rapporté est fermé au niveau de son extrémité radialement intérieure par un blocage, lequel blocage est supprimé avant l'injection de fluide. De préférence, l'élément rapporté est constitué d'un matériau qui a un coefficient de dilatation thermique linéaire plus faible que le matériau à partir duquel les composants sont réalisés. Avantageusement, l'élément rapporté comporte des moyens de fixation destinés à venir en prise avec des moyens de fixation complémentaires situés sur un agencement pour injection de fluide et le procédé comporte la mise en prise de l'agencement d'injection avec l'élément rapporté par l'intermédiaire desdits moyens de prise et l'injection de fluide jusque dans l'alésage de l'élément rapporté par l'intermédiaire dudit agencement. L'élément rapporté peut être entièrement constitué d'une partie formant tête ou peut comporter une partie formant tête située à l'intérieur de ladite cavité et une autre partie située à l'extérieur de la périphérie des composants. La présente invention fournit aussi un empilage comportant des composants présentant des propriétés superplastiques à des niveaux de température élevés, lesquels composants sont reliés ensemble dans des zones choisies tout en laissant non reliée au moins une zone, une cavité située à l'intérieur de l'empilage, et un élément rapporté d'injection de fluide qui comporte une partie formant tête située à l'intérieur de la cavité et un alésage, caractérisé en ce que la cavité et la partie formant tête sont formées de telle sorte que la partie formant tête soit maintenue captive par la cavité et en ce que les coefficients de dilatation thermique de l'élément rapporté et du reste de l'empilage sont tels qu'un joint étanche au fluide soit formé entre l'élément rapporté et le reste de l'empilage à des niveaux de température de mise en forme superplastique, l'alésage s'étendant vers le bord de l'empilage et étant accessible via un passage s'étendant jusqu'au bord de l'empilage, et en ce que l'alésage et le passage s'étendent vers l'intérieur jusque dans l'empilage selon une ligne droite de manière qu'on puisse accéder à un blocage existant dans l'alésage, afin de le supprimer. Selon une forme de réalisation de l'invention, l'alésage situé dans l'élément rapporté est un alésage borgne. Avantageusement, l'élément rapporté est constitué d'un matériau qui a un coefficient de dilatation thermique linéaire plus faible que le matériau à partir duquel les composants sont réalisés. De préférence, l'élément rapporté comporte des moyens de fixation destinés à venir en prise avec des moyens de fixation complémentaires situés sur un agencement d'injection de fluide. Selon une forme de réalisation de l'invention, l'élément rapporté comporte ladite partie formant tête et une autre partie qui est située à l'extérieur du bord des composants de l'empilage. On va maintenant décrire, à titre d'exemple, un procédé de mise en forme de structure composite en référence aux figures 2 à 4 des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue partielle en coupe d'un empilage relié par diffusion qui montre l'agencement de la technique antérieure destiné à l'injection de gaz dans un empilage relié pendant une étape de mise en forme superplastique, la figure la est une vue en perspective de l'élément rapporté représenté sur la figure 1, la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un empilage de composants assemblés avant la liaison par diffusion, la figure 3 est une vue partielle en coupe de l'empilage représenté sur la figure 2 mais après qu'il ait été relié par diffusion et avant qu'il ne soit mis en forme de manière superplastique, la figure 4 a est une vue en perspective d'un élément rapporté destiné à être utilisé conformément à la présente invention, et la figure 4 b est une vue en coupe de l'élément rapporté de la figure 4 a et d'une partie d'un empilage de composants assemblés. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on y a représenté la zone formant bord d'un empilage non relié qui est formé par empilage d'une feuille supérieure 2, d'une feuille inférieure 4 et d'une feuille 6 formant noyau, toutes celles-ci étant constituées d'un alliage d'aluminium-lithium qui présente des propriétés de mise en forme superplastique à des niveaux de température d'approximativement 530 e C Des couches de matériau d'arrêt connu, par exemple silice ou zircone, telles que celles représentées au niveau des références numériques 8 et 10, ont précédemment été appliquées sur des zones choisies des feuilles de telle sorte que dans l'empilage assemblé le matériau d'arrêt se trouve entre d'une part la feuille supérieure 2 et la feuille 6 formant noyau et d'autre part entre la feuille 6 formant noyau et la feuille inférieure 4; le matériau d'arrêt empêchant une liaison par diffusion des feuilles dans ces zones sur lesquelles il a été appliqué. Une cavité est formée dans les trois feuilles 2, 4 et 6, ayant une dimension et une forme adaptées pour recevoir un élément rapporté 12 en acier, qui est représenté en perspective sur la figure la L'élément rapporté 12 est placé dans la cavité pendant l'assemblage des composants de l'empilage non relié Une rondelle 14 en acier est placée sur une partie supérieure de l'élément rapporté pour assurer une étanchéité serrée au gaz pendant l'injection de gaz L'élément rapporté 12 comporte une ouverture centrale 16 et plusieurs alésages 18, s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de l'ouverture 16 Comme représenté sur les figures la, quatre tels alésages sont agencés. L'empilage assemblé, l'élément rapporté étant en place, est soumis alors à une liaison par diffusion qui consiste essentiellement à comprimer l'empilage à des températures élevées et à comprimer jusqu'à ce que les interfaces existant entre la feuille supérieure, la feuille formant noyau et la feuille inférieure, qui ne sont pas recouvertes de matériau d'arrêt soient reliées ensemble par diffusion. L'empilage relié est alors transféré vers un moule, o il est chauffé à une température au niveau de laquelle l'alliage d'aluminium présente des propriétés superplastiques Pendant la mise en forme superplastique, un gaz est injecté dans l'ouverture 16 à un niveau de pression élevé et passe à travers les alésages 18 jusque dans les zones non reliées situées entre la feuille inférieure 4 et la feuille 6 formant noyau Si le gaz ne peut pas atteindre la zone non reliée fournie par le matériau d'arrêt 8 directement à partir du gaz injecté à travers les alésages 18, il peut passer jusqu'à de telles zones non reliées par l'intermédiaire de trous (non représentés) agencés entre la zone non reliée fournie par le matériau d'arrêt 10 et celle fournie par le matériau d'arrêt 8 De cette manière, le gaz peut être alimenté vers toutes les zones non reliées de l'empilage pour gonfler l'empilage Le gaz gonfle l'empilage relié jusqu'à ce qu'il se conforme à la forme du moule. L'agencement selon la présente invention est représenté sur la figure 2. L'empilage de la figure 2 est le même que celui des figures 1 et la et en conséquence aucune description supplémentaire de l'empilage ne sera donnée mais des numéros de référence analogues seront utilisés pour indiquer des éléments correspondants sur toutes les figures 1 à 3. La figure 2 représente l'agencement d'un empilage après qu'il ait été assemblé à partir des feuilles 2, 4 et 6 mais avant qu'il ne soit relié Avant d'assembler, une cavité est formée dans les feuilles 2, 4 et 6 en étant formée de manière à recevoir l'élément rapporté 12, qui a un alésage 20 ayant une extrémité borgne 22 et une extrémité ouverte L'alésage est muni d'un filet femelle 23 dans la zone de l'extrémité ouverte Avant que l'élément rapporté ne soit placé dans la cavité, un passage 24 est percé à travers l'empilage assemblé à partir du bord jusqu'à la cavité de manière à être en registre avec l'extrémité ouverte de l'alésage 20. L'empilage est ensuite démonté et l'élément rapporté 12 est placé dans la cavité et une cheville 26 en acier est insérée dans le passage 20 pour empêcher la déformation du passage pendant la liaison par diffusion. L'empilage assemblé est ensuite chauffé dans une presse, la température et la pression exercées sur l'empilage étant suffisantes pour relier ensemble par diffusion les surfaces adjacentes des feuilles à l'exception des zones sur lesquelles du matériau d'arrêt a été appliqué. D'autres procédés de liaison de l'empilage, par exemple une liaison par explosion, peuvent être utilisés à la place d'une liaison par diffusion. Après liaison, la cheville 26 en acier est enlevée et l'extrémité borgne 22 de l'alésage 20 est percée pour établir une communication de fluide entre les zones non reliées de l'assemblage, telles que les zones 8 et 10, et l'extérieur de l'empilage. En se reportant maintenant à la figure 3, qui représente l'agencement de la figure 2, l'extrémité borgne 22 étant percée, l'extrémité extérieure du passage 24 est chanfreiné au niveau de la référence numérique 28 et un tube 30 d'injection de gaz est vissé dans l'extrémité filetée 23 de l'élément rapporté 12 jusqu'à ce que le corps 32 situé au niveau de l'extrémité distale du tube vienne en contact avec l'extrémité chanfreinée 28 du passage pour former un joint étanche au gaz Le corps 32 comporte un adaptateur 34 de conception standard (par exemple un raccord par emboutissage, tels que ceux connus sous la dénomination "Swage Lok") dans lequel un raccord mâle de connexion de gaz (non représenté) peut être fixé pour alimenter le gaz à partir d'une source de gaz directement vers l'intérieur de l'empilage. L'empilage est alors transféré vers un moule de mise en forme superplastique ayant la forme voulue, l'empilage est chauffé à une température d'environ 5300 C et du gaz est injecté à travers le passage 24 et l'alésage 20 situé dans l'élément rapporté 12 de telle sorte que le gaz peut écarter les zones non reliées de l'empilage pour gonfler ce dernier Si seules certaines des zones non reliées sont accessibles au gaz inerte injecté via l'élément rapporté 12, on peut inclure plus d'un élément rapporté dans l'empilage pour mise en forme superplastique et/ou des trous peuvent être agencés dans la feuille formant novau pour permettre le passage du gaz depuis une zone non reliée vers une autre. L'étanchéité au gaz entre l'élément rapporté 12 et l'empilage est maintenue du fait de l'expansion thermique différentielle de l'élément rapporté, qui est constitué d'acier, et de l'empilage relié, qui est constitué d'un alliage d'aluminium-lithium Les coefficients d'expansion sont tels que, au niveau des températures de mise en forme superplastique (par exemple 5300 C), l'élément rapporté et la cavité adjacente sont amenés en contact serré pour fournir l'étanchéité au gaz voulue. Après mise en forme superplastique, l'article composite est enlevé du moule et est usiné pour supprimer, entre autre, les parties de l'empilage comportant l'élément rapporté 12. Du fait que l'empilage doit être suffisamment épais pour recevoir l'élément rapporté 12, le système représenté ne peut être utilisé que dans des empilages ayant une épaisseur supérieure à un minimum qui est de manière générale 7 mm ou plus. Les figures 4 a et 4 b représentent une variante du type d'élément rapporté comportant une partie 50 formant tête intérieure, une partie extérieure 52 et une partie de connexion 54 Un alésage 56 s'étend à travers ces trois parties de l'élément rapporté et il sera noté qu'il n'y a pas de blocage le long de sa longueur La partie 50 formant tête est maintenue captive dans la cavité située dans l'empilage. L'élément rapporté est incorporé dans un empilage de manière analogue à l'élément rapporté décrit en référence aux figures 2 et 3 (voir figure 4 b), les parties intérieure et de connexion 50 et 54 étant situées à l'intérieur de l'empilage et la partie extérieure 52 étant située à l'extérieur de l'empilage. En dépit du fait que l'alésage 56 s'étend en étant non bloqué à travers l'élément rapporté, il est susceptible d'être bloqué pendant la liaison par diffusion par progression de matériau provenant de l'empilage et ce blocage doit être percé avant de réaliser la mise en forme superplastique Puisque l'alésage 56 est rectiligne, un foret peut être inséré dans l'alésage pour percer le blocage. Un raccordement du type à emboutissage, tel que celui connu sous la dénomination "Swage Lok", peut être fixé directement sur la partie extérieure 52 de l'élément rapporté pour injecter du gaz de mise en forme superplastique. Bien que la présente invention a été décrite en liaison avec un procédé combiné de liaison par diffusion et de mise en forme superplastique de l'aluminium et de ses alliages, il peut être également appliqué au titane et à ses alliages. Revendications. 1 Procédé de mise en forme d'une structure composite ( 2, 4, 6) à partir de composants ( 2, 4, 6) présentant des propriétés superplastiques à des niveaux de température élevés, lequel procédé comporte les étapes consistant à: (a) assembler les composants ( 2, 4, 6) selon un empilage, l'empilage comportant une cavité, et un élément rapporté ( 12) d'injection de fluide qui comporte: une partie formant tête ( 50) située à l'intérieur de la cavité, et un alésage ( 20) s'étendant au moins partiellement à travers l'élément rapporté, (b) former un empilage relié par liaison des composants dans des zones choisies tout en laissant non reliée au moins une zone ( 8, 10) située entre des composants adjacents de l'empilage, (c) chauffer l'empilage relié à une température à laquelle les composants présentent des propriétés superplastiques et (d) injecter un fluide dans ladite au moins une zone non reliée via l'alésage ( 20) pour former de manière superplastique les composants selon ladite structure composite, caractérisé en ce que: (e) la cavité et la partie formant tête sont formées de manière telle que la partie formant tête est maintenue captive par la cavité, les coefficients de dilatation thermique de l'élément rapporté ( 12) et du reste de l'empilage ( 2, 4, 6) sont tels qu'un joint étanche au fluide soit formé entre l'élément rapporté ( 12) et le reste de l'empilage à des niveaux de température de mise en forme superplastique, (t) l'alésage s'étend vers le bord ou à travers le bord de l'empilage et on peut y accéder via un passage ( 24) qui s'étend jusqu'au bord de l'empilage, et l'alésage ( 20) associé à un tel passage quelconque s'étend vers l'intérieur jusque dans l'empilage selon une ligne pratiquement droite, et (g) tout blocage existant dans l'alésage est supprimé avant l'injection de fluide pour fournir une communication de fluide entre l'alésage ( 20) et ladite au moins une zone non reliée ( 8, 10). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la communication entre ladite au moins une zone non reliée ( 8, 10) et l'extérieur de l'empilage le long de l'alésage ( 20) et d'un passage quelconque ( 24) est établie il uniquement après que les composants aient été reliés et avant l'étape de mise en forme superplastique. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alésage ( 20) situé dans l'élément rapporté ( 12) est fermé au niveau de son extrémité radialement intérieure ( 22) par un blocage, lequel blocage est supprimé avant l'injection de fluide. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément rapporté ( 12) est constitué d'un matériau qui a un coefficient de dilatation thermique linéaire plus faible que le matériau à partir duquel les composants ( 2, 4, 6) sont réalisés. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément rapporté ( 12) comporte des moyens de fixation ( 23) destinés à venir en prise avec des moyens de fixation complémentaires situés sur un agencement ( 30) pour injection de fluide et le procédé comporte la mise en prise de l'agencement ( 30) d'injection avec l'élément rapporté ( 12) par l'intermédiaire desdits moyens de prise ( 23) et l'injection de fluide jusque dans l'alésage ( 20) de l'élément rapporté ( 12) par l'intermédiaire dudit agencement ( 30). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément rapporté ( 12) comporte ladite partie ( 50) formant tête et une autre partie ( 52) qui est située à l'extérieur du bord des composants de l'empilage. 7 Empilage destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant des composants ( 2, 4, 6) présentant des propriétés superplastiques à des niveaux de température élevés, lesquels composants sont reliés ensemble dans des zones choisies tout en laissant non reliée au moins une zone ( 8, 10), une cavité située à l'intérieur de l'empilage, et un élément rapporté ( 12) d'injection de fluide qui comporte une partie formant tête ( 50) située à l'intérieur de la cavité et un alésage ( 20), caractérisé en ce que la cavité et la partie formant tête ( 50) sont formées de telle sorte que la partie formant tête soit maintenue captive par la cavité et en ce que les coefficients de dilatation thermique de l'élément rapporté ( 12) et du reste de l'empilage ( 2, 4, 6) sont tels qu'un joint étanche au fluide soit formé entre l'élément rapporté ( 12) et le reste de l'empilage à des niveaux de température de mise en forme superplastique l'alésage ( 20) s'étendant vers le bord de l'empilage et étant accessible via un passage ( 24) s'étendant jusqu'au bord de l'empilage, et en ce que l'alésage et le passage s'étendent vers l'intérieur jusque dans l'empilage selon une ligne droite de manière qu'on puisse accéder à un blocage existant dans l'alésage, afin de le supprimer. 8 Empilage selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alésage ( 20) situé dans l'élément rapporté ( 12) est un alésage borgne. 9 Empilage selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'élément rapporté ( 12) est constitué d'un matériau qui a un coefficient de dilatation thermique linéaire plus faible que le matériau à partir duquel les composants ( 2, 4, 6) sont réalisés. Empilage selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'élément rapporté ( 12) comporte des moyens de fixation ( 23) destinés à venir en prise avec des moyens de fixation complémentaires situés sur un agencement ( 30, 32, 34) d'injection de fluide. 11 Empilage selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'élément rapporté ( 12) comporte ladite partie ( 50) formant tête et une autre partie ( 52) qui est située à l'extérieur du bord des composants de l'empilage.