Brevet FR2707902A1 — publié le 19950127

L'invention concerne un procédé de fabrication de composants de réacteur renforcés de fibres et présentant une matrice d'alliage. La fabrication de feuilles, tôles ou bandes renforcées de fibres, présentant une matrice de métal, est divulguée par les documents US- A-4 499 156 et US-A-4 733 816; le renforcement est ici réalisé à l'aide de fibres de carbure de silicium, de fibres de carbure de silicium revêtues de silicium, de fibres de bore revêtues de carbure de silicium, ou de fibres de bore revêtues de carbure de bore, et pour la réalisation de la matrice de métal, on utilise des feuilles, des tôles ou des bandes en un alliage à base de titane. Dans ce cas, la matrice de métal est appliquée par compression à chaud entre et sur les fibres, à l'aide d'un dispositif tel que celui divulgué par le document US-A-3 841 942. L'inconvénient de telles feuilles, tôles ou bandes réside dans le fait qu'une transformation ultérieure en composants de réacteur, en forme d'anneau, ne peut s'effectuer que pour des géométries et des sections les plus simples de ces anneaux. Un procédé de fabrication par fusion métallurgique, de sections d'anneaux ou d'arbres plus complexes, telles qu'on les rencontre dans les composants de réacteur, ne peut pas être utilisé en raison de la réaction vive entre le titane en fusion et les fibres de carbure de silicium. L'inconvénient du procédé de compression à chaud connu, réside dans le fait qu'il est relativement complexe, parce qu'il nécessite plusieurs étapes pour la réalisation de la structure fibres/feuille. Par ailleurs, la part de volume de fibres pouvant être obtenue et les propriétés mécaniques résultantes, sont limitées, parce qu'il est impossible d'atteindre la 2 2707902 densité de tassement maximum des fibres. La distance entre les fibres ne peut pas être maintenue constante, et un contact entre fibres ne peut pas toujours être évité. Un contact entre fibres, et des fibres rompues, conduisent entre autres à des amorces de fissures de fatigue et à une diminution de la durée de vie des composants de réacteur. L'orientation visée des fibres, dans les directions nécessaires, n'est également possible que de manière limitée. Le but de l'invention consiste à surmonter les inconvénients des procédés connus jusqu'à présent, et à indiquer un procédé permettant la fabrication de composants de réacteur cylindriques ou de forme annulaire, à sections complexes, en alliages à base de titane renforcés de fibres, dont la part de volume de fibres est élevée, et dont l'espacement entre les fibres est garanti. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé caractérisé par les étapes suivantes: a) revêtement d'une fibre de carbure de silicium longue ou continue, par pulvérisation ou vaporisation, par une matrice d'un alliage à base de titane, b) enroulement des fibres revêtues de la matrice d'alliage, sur une préforme cylindrique ou de forme annulaire d'un composant de réacteur, selon des angles déterminés par rapport à l'axe principal de la préforme, c) application sur la surface de la préforme munie de son enroulement, d'un recouvrement au moins partiel d'alliage de matrice, au moyen de feuilles, de bandes, de fils, de poudres agglomérées par frittage, ou d'un revêtement appliqué par atomisation, d) compression isostatique à chaud de la préforme qui selon c) est au moins partiellement recouverte par les fibres enroulées et revêtues d'alliage de matrice, et le 3 2707902 recouvrement d'alliage de matrice. La fabrication de pièces par enroulement d'une fibre continue et revêtue de métal de matrice, et par compression isostatique à chaud finale, présente des avantages considérables par rapport aux procédés de fabrication connus selon lesquels des fibres sans revêtement de matrice, subissent une compression à chaud entre des tôles ou des feuilles de métal de matrice. La technique d'enroulement de fibres individuelles revêtues de métal de matrice, autorise la fabrication de structures complexes, notamment de pièces cylindriques à sections complexes. Le revêtement des fibres par du métal de matrice permet de garantir un espacement uniforme entre les fibres. Il est possible d'atteindre une part élevée de volume de fibres, et le nombre des étapes de procédé est extrêmement limité. En outre, les fibres peuvent être enroulées dans toutes les directions nécessaires, un enroulement dans la direction de sollicitation principale en fonctionnement, augmentant avantageusement la résistance dans cette direction. Le revêtement des fibres par du métal de matrice peut s'effectuer soit de manière statique, soit de manière dynamique. Dans le cas du revêtement statique ou discontinu, les fibres sont disposées en spires et revêtues. A cet effet, les fibres sont enroulées de manière cylindrique, à l'extérieur ou à l'intérieur d'un support de bobine, et sont revêtues, suivant le procédé de revêtement, au repos ou en rotation, dans des chambres de revêtement individuelles, selon un procédé de chargement. Dans le cas du revêtement dynamique, des fibres continues sont revêtues en continu, les fibres continues étant de préférence tirées au travers de 4 2707902 plusieurs zones de revêtement d'une installation de revêtement, en y étant revêtues. Selon un procédé préféré, sur le moule, avant l'enroulement des fibres revêtues, sont déposés des feuilles ou des bandes de métal de matrice, des granulés de métal de matrice appliqués par compression, des poudres de métal de matrice agglomérées par frittage ou un revêtement de métal de matrice. L'avantage de cela réside dans le fait qu'après la compression isostatique à chaud, le composant présente, sur sa surface adjacente au moule, une couche épaisse de métal de matrice, qui peut être usinée postérieurement, par formage, par enlèvement de copeaux ou par polissage. Avantageusement, on fait varier le rapport de volume entre le matériau de fibres et le métal de matrice, en modifiant l'épaisseur de revêtement par rapport au diamètre des fibres. L'avantage de cela réside dans le fait qu'il est inutile de rajouter du matériau de matrice sous forme de poudre ou de feuille, ce qui pourrait sinon mettre en danger l'espacement uniforme des fibres dans le matériau de matrice. Un rapport de volume préféré entre le matériau de fibre et le métal de matrice est réglé entre 1:5 et 1:0,2, la limite théorique, réalisable, de 1:0,1, pour le rapport de volume, étant dans ce cas pratiquement atteinte. Selon une caractéristique particulière, on règle un rapport de volume entre le matériau de fibres et le métal de matrice entre 1:3 et 1:0,45. Selon une autre particularité préférée du procédé conforme à l'invention, le moule est réalisé en métal de matrice, et peut ainsi avantageusement servir de conteneur lors de la compression isostatique à chaud. 2707902 On confère ainsi au composant final, des contours extérieurs susceptibles être usinés, qui, libres de fibres, peuvent subir un usinage postérieur. Une application préférée du procédé réside dans la fabrication d'arbres de réacteur. A cet effet, la fibre revêtue de matériau de matrice peut être enroulée sur un tube cylindrique ou conique. Lors de l'enroulement, il est possible de réaliser sans problème, les étagements de diamètre et les rainures d'arbre ainsi que les renflements d'arbre, les plus divers. La direction d'enroulement des couches individuelles d'enroulement, peut avantageusement être adaptée à la répartition des charges sur l'arbre. Une autre application préférée du procédé, réside dans la fabrication d'anneaux de renforcement fermés et non segmentés, pour des aubes de roues mobiles. Ces anneaux de renforcement relient entre-eux les sommets des aubes, et présente des protubérances d'étanchéité de forme spéciale, dirigées vers le carter de turbine. D'après les techniques connues jusqu'à présent, les anneaux de renforcement sont constitués par l'assemblage de segments, chacun des ces segments étant relié au sommet d'une aube. Un anneau fermé présente des avantages considérables par rapport à la solution usuelle. Le procédé conforme à l'invention est de préférence mis en oeuvre pour la fabrication de roues mobiles sans disque, constituées d'anneaux portant des aubes. En raison de la grande résistance à la traction des composants en alliages à base de titane, renforcés de fibres, il est avantageusement possible, à la place des roues mobiles à disque, qui sont très lourdes, de prévoir au niveau des pieds d'aubes, des évidements 6 2707902 destinés à des anneaux de retenue. Si l'on fabrique ces anneaux de retenue par le procédé conforme à l'invention, il en résulte un gain de poids important par rapport à la roue mobile à disque, classique. Dans la suite, l'invention va être décrite plus en détail en se référant à des exemples d'application du procédé conforme à l'invention, ceux-ci étant représentés sur les dessins annexés, qui montrent: Fig. 1 une section d'un arbre de turbine. Fig. 2 une vue transversale d'une roue mobile sans disque. Fig. 3 une vue transversale d'une roue mobile sans disque, comportant un anneau de renforcement. La figure 1 montre une section d'un arbre de turbine 1, réalisé en un alliage à base de titane renforcé de fibres, sur lequel sont formés des étagements 2, 3, 4, 5 et 6, ainsi qu'une rainure 7, des portées de roulement 8, 9, un pignon primaire 10 et un pignon secondaire 11. Pour la fabrication de l'arbre, des fibres de carbure de silicium longues à continues, sont tout d'abord revêtues par pulvérisation ou vaporisation, par un métal de matrice d'un alliage à base de titane. A titre d'exemple, un alliage Ti6Al4V ou TiAl est appliqué par pulvérisation, avec une vitesse 30 gm/heure, sur la fibre de carbure de silicium, sous un vide de 0,1 mPa, jusqu'à atteindre une épaisseur de métal de matrice de gm. Pour le revêtement, la fibre 13, 14, 15 est chauffée à une température de 300 à 600 C. 7 2707902 Ensuite, les fibres 13, 14 et 15 revêtues de matériau de matrice sont enroulées sur un tube 12 faisant office de moule, dans la direction des sollicitations attendues, au moyen d'une installation d'enroulement (fibres 14), et, pour autant que cela soit nécessaire, les fibres sont déposées autour du tube, dans la direction longitudinale (fibres 13). Les fibres 14 enroulées, en vue d'absorber des contraintes de torsion, sont de préférence enroulées sous un angle de 30 à 60 degrés par rapport à la direction de l'axe de l'arbre, selon des couches croisées. Dans la zone de bordure des étagements 2, 3, 4, 5 et 6, les fibres 15 revêtues de métal de matrice, sont enroulées transversalement à l'axe de l'arbre, et maintenues en position lors de l'enroulement, à l'aide de moules auxiliaires. Dans la zone du pignon primaire 10 et du pignon secondaire 11, un recouvrement de métal de matrice, au moyen de feuilles, de bandes, de granulés appliqués par compression, de poudres agglomérées par frittage, ou d'un revêtement de recouvrement, est appliqué sur la surface du moule possédant son enroulement. L'épaisseur du recouvrement est dimensionné de manière telle, qu'après la compression isostatique à chaud, un pignon primaire ou un pignon secondaire puissent être usinés dans la zone du matériau de recouvrement, sans entrer en contact avec le matériau de fibres. Avant la compression isostatique à chaud, le moule possédant son enroulement est introduit dans un conteneur. Le matériau du conteneur peut de préférence être du métal de matrice, de sorte qu'il est inutile de réaliser une séparation du conteneur et du moule comportant l'enroulement, particulièrement si comme dans 8 2707902 cet exemple de réalisation, le moule est constitué par un tube 12 en matériau de matrice. Après la compression isostatique à chaud du moule comportant l'enroulement de fibres revêtues de matériau de matrice, et le recouvrement en métal de matrice, l'espacement entre les fibres se réduit à /m. La figure 2 montre une vue transversale d'une roue mobile 20 sans disque. A la place du disque de roue mobile, sinon usuel, dans lequel les aubes 21 sont accrochées par l'intermédiaire de leur pied d'aube 22, dans la solution conforme à l'invention, les pieds d'aube 22 comportent des évidements 23, qui forment, lors de la disposition côte à côte des aubes pour constituer une roue d'aube, des rainures annulaires. Dans ces rainures annulaires sont insérés des anneaux 24, 25 fabriqués selon le procédé conforme à l'invention. Ces anneaux assurent la fonction du disque de roue sensiblement plus lourd, d'une roue mobile dans un réacteur, et maintiennent les aubes 21 en position. La figure 3 montre une vue transversale d'une roue mobile sans disque 20, comportant un anneau de renforcement 30. Cet anneau de renforcement 30 enserre les sommets des aubes mobiles 21, et comporte des protubérances d'étanchéité 31, qui réalisent un joint d'étanchéité à labyrinthe par rapport au carter de réacteur non représenté. Aussi bien l'anneau de renforcement, que les protubérances d'étanchéité ont été fabriqués selon le procédé conforme à l'invention. 9 2707902 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de composants de réacteur renforcés de fibres et présentant une matrice d'alliage, caractérisé par les étapes de procédé suivantes: a) revêtement d'une fibre de carbure de silicium longue ou continue, par pulvérisation ou vaporisation, par une matrice d'un alliage à base de titane, b) enroulement des fibres (13, 14, 15) revêtues de la matrice d'alliage, sur une préforme (12) cylindrique ou de forme annulaire, d'un composant de réacteur, selon des angles déterminés par rapport à l'axe principal de la préforme, c) application sur la surface de la préforme munie de son enroulement, d'un recouvrement au moins partiel d'alliage de matrice, au moyen de feuilles, de bandes, de fils, de poudres agglomérées par frittage, ou d'un revêtement appliqué par atomisation, d) compression isostatique à chaud de la préforme qui selon c) est au moins partiellement recouvert par les fibres enroulées et revêtues d'alliage de matrice, et le recouvrement d'alliage de matrice. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement des fibres s'effectue de manière discontinue, par des procédés de chargement, la fibre étant disposée en spires et revêtue. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement des fibres s'effectue de manière continue, des fibres continues étant tirées au travers de plusieurs zones de revêtement d'une installation de revêtement, en y étant revêtues. 2707902 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sur le moule (12), avant l'enroulement des fibres revêtues, sont déposés des feuilles ou des bandes de métal de matrice, des granulés de métal de matrice appliqués par compression, des poudres de métal de matrice agglomérées par frittage ou un revêtement de métal de matrice. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on fait varier le rapport de volume entre le matériau de fibres et le métal de matrice, en modifiant l'épaisseur de revêtement par rapport au diamètre des fibres. G. Procédé selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que l'on règle un rapport de volume entre le matériau de fibres et le métal de matrice entre 1:3 et 1:0,45. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moule est réalisé en métal de matrice. 8. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 7 à la fabrication d'arbres de réacteur (1). 9. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 7 à la fabrication d'anneaux de renforcement (30) fermés et non segmentés, pour des aubes (21) de roues mobiles. 10. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 7 à la fabrication de roues mobiles sans disque, ccnstituées d'anneaux (24, 25) portant des l 2707902 aubes (21).