Brevet FR2713663A1 — publié le 19950616

DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces axisymétriques en composite à matrice métallique. Il est désormais connu d'utiliser, dans l'industrie aéronautique et dans la construction des moteurs d'avion, des matériaux composites à matrice métallique qui ont pour avantage d'être très résistants mécaniquement et thermiquement et d'avoir une masse plus faible que les matériaux métalliques classiques. De tels matériaux composites peuvent, par exemple, être constitués de matrice métallique du type titane ou alliage à base de titane et de fibres de renforcement du type céramique, par exemple en carbure de silicium, SiC. Les techniques actuellement mises en oeuvre pour réaliser des pièces axisymétriques, de grandes dimensions en composite à20 matrice titane ou alliage à base titane renforcé de fibres de carbure de silicium sont illustrées par le brevet FR 2.289.425, au nom de la demanderesse et par le brevet FR 2.366.904 au nom d'ARMINES. Une première technique consiste à bobiner sur un mandrin la fibre devant constituer le renfort, de manière à ce qu'elle forme une couche sur ledit mandrin, à effectuer un dépôt plasma du matériau devant constituer la matrice sur ladite couche de fibre puis à répéter autant de fois que30 souhaitable ces deux étapes de bobinage et de dépôt plasma et finalement à effectuer une compaction à chaud de la structure obtenue. Cette technique a pour inconvénient de ne pas permettre une disposition équidistante des fibres dans le matériau du fait de la nécessité d'effectuer pour chaque couche de fibre, deux 2 2713663 dépôts plasma inclinés de manière à combler de matrice métallique les intervalles entre les spires de la fibre bobinée et un troisième dépôt plasma dans le sens radial au mandrin, de manière à recouvrir la fibre de matrice métallique pour le bobinage ultérieur de la couche de fibre suivante. Une deuxième technique connue consiste, outre un bobinage de fibre sur un mandrin, à appliquer sur chaque couche de fibre10 bobinée un feuillard de matrice métallique. Cette technique a notamment pour inconvénients le risque de faire des plis dans le feuillard, le risque de ne pas recouvrir uniformément des fibres et la difficulté de réaliser des empilements successifs satisfaisants. La structure du matériau final15 après compaction à chaud comporte alors des concentrations de contraintes locales, nuisant à la bonne tenue du matériau dans les ambiances sévères auxquelles il est destiné. Par ailleurs, le brevet ROLLS ROYCE FR 2.640.195 divulgue un procédé de réalisation de structures composites bobinées dans lequel sont utilisés des fibres céramiques et des fils de titane: les fils de titane sont tordus autour des fibres céramiques, les structures obtenues sont enroulées les unes autour des autres à la manière d'une corde à plusieurs brins.25 La structure en résultant est alors bobinée à l'intérieur d'une préforme, puis est infiltrée par un métal dont le point de fusion est inférieur à celui du titane, et est ensuite formée à chaud. La présente invention propose un nouveau procédé de réalisation de pièces axisymétriques en composite à matrice métallique ne présentant pas les inconvénients cités ci- dessus et permettant d'obtenir des pièces finales de structure homogène, sans concentrations de contraintes35 locales et évitant la diffusion réactive au sein du matériau. Sa mise en oeuvre est plus simple et plus économique que les procédés existants. 3 2713663 Selon l'invention, les fibres de renforcement de longueur infinie, de préférence en céramique et les fils de longueur infinie devant constituer la matrice métallique, sont cobobinés simultanément et côte à côte sur un mandrin dont la5 forme extérieure correspond à la surface interne de la pièce axisymétrique à réaliser. Conformément à l'invention, les fibres de renforcement et les fils métalliques ont des diamètres voisins de façon à assurer10 un bobinage jointif entre les spires ainsi qu'entre les différentes couches et le bobinage est effectué de manière telle que les fibres de renforcement soient toujours séparées les unes des autres par au moins un fil métallique. Le nombre de fibres de renforcement et de fils métalliques à cobobiner simultanément dépend de la répartition volumique désirée dans le matériau final. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la fibre de renforcement est une fibre de carbure de silicium et le fil métallique est un fil de titane. L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples non limitatifs suivants, illustrés par les dessins25 annexés sur lesquels: la figure 1 représente un mandrin autour duquel est effectué un bobinage 3 fils, - la figure 2 représente une coupe axiale du mandrin sur lequel a été effectué un bobinage 2 fils, - la figure 3 représente une coupe axiale du mandrin sur lequel a été effectué une variante du bobinage 2 fils. EXEMPLE 1: bobinage 3 fils Cet exemple est illustré par les figures 1 et 2 des dessins 4 2713663 annexes. a. On bobine simultanément et côte à côte une fibre de carbure de silicium 2 et deux fils de titane 3 et 4 afin de former une première couche sur un mandrin 1 de forme appropriée. b. On continue à bobiner les trois fils 2, 3 et 4 pour former une deuxième couche, en les décalant d'un diamètre par rapport à la première couche, comme cela est représenté sur la figure 2. c. On continue à bobiner les trois fils 2, 3 et 4, jusqu'à obtenir l'épaisseur désirée sur le mandrin et de telle manière que la couche n présente toujours un décalage d'un diamètre par rapport à la couche n-1. d. La structure est ensuite étanchée et densifiée par compaction isostatique à chaud. On obtient ainsi une pièce dont la répartition volumique est de 33 % de fibres et de 66 % de matrice. EXEMPLE 2: bobinage 2 fils Cet exemple est illustré par la figure 3 des dessins annexes. a. On bobine simultanément et côte à côte une fibre de carbure de silicium 5 et un fil de titane 6 afin de former une première couche sur un mandrin 1 de forme appropriée. b. Une deuxième couche est ensuite formée par bobinage simultané de deux fils de titane 7 côte à côte. c. Une troisième couche est formée par 1 bobinage identique à celui de la première couche, de manière à aligner radialement les fibres 5. 2713663 d. On continue à procéder successivement aux deux étapes b et c précédentes jusqu'à l'obtention de l'épaisseur désirée. e. La structure est étanchée et densifiée par compaction isostatique à chaud. La pièce obtenue comporte une répartition volumique de 25 % de fibres et de 75 % de matrice. EXEMPLE 3: variante du bobinage 2 fils Cet exemple est illustré par la figure 4 des dessins annexes. a. On procède de manière identique aux étapes a et b de l'exemple 2. b. Une troisième couche est formée par bobinage simultané et côte à côte de la fibre de carbure de silicium 5 et du fil de titane 6 de manière à les décaler d'un diamètre par rapport à la lère couche, comme cela est représenté sur la figure 4. c. On continue à bobiner alternativement deux fils de titane pour les couches 2 n et un fil de titane et une fibre de SiC pour les couches 2 n + 1, de telle manière que la couche 2 n + 1 présente toujours un décalage d'un diamètre par rapport à la couche 2 n - 1, et jusqu'à obtention de l'épaisseur désirée. d. La structure est étanchée et densifiée par compaction isostatique à chaud. La pièce obtenue comporte une répartition volumique de 25 % de fibres et de 75 % de matrice. Bien entendu, le procédé selon l'invention n'est pas limité 6 2713663 aux exemples exposés, donnés à titre indicatif. On pourra, par exemple, appliquer le procédé en utilisant d'autres matériaux que le carbure de silicium et le titane. Le nombre de fibres et fils métalliques bobinés simultanément et côte à côte peut être supérieur à ceux donnés dans les exemples. On pourra également intercaler des couches d'autres matériaux,le principe restant que les fibres céramiques ne se touchent ni lors du bobinage, ni lors de la compaction isostatique à chaud. Le procédé selon l'invention est notamment applicable à la réalisation de pièces de turbomachines, par exemple de tambours de compresseurs. 7 2713663 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces axisymétriques en composite à matrice métallique caractérisé en ce que, préalablement à la compaction isostatique à chaud, il consiste à bobiner simultanément et côte à côte, sur un mandrin (1) de forme appropriée, au moins une fibre céramique (2;5) de renforcement et au moins un fil métallique (3,4; 6) devant constituer la matrice de façon à assurer une absence de contact entre les spires de fibre d'une même couche et entre les fibres de deux couches adjacentes. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la fibre céramique (2;5) et le fil métallique (3,4;6) ont des diamètres voisins. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la fibre céramique (2;5) est une fibre de carbure de silicium. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le fil métallique (3,4;6) est un fil de titane ou un fil d'alliage à base de titane. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé par le bobinage simultané et côte à côte d'une fibre céramique (2) et de deux fibres métalliques (3,4) en plusieurs couches de manière telle que la couche n présente un décalage d'un diamètre de fil par rapport à la couche n-1. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il consiste à former alternativement: - une couche formée par bobinage simultané et côte à côte 8 2713663 d'une fibre céramique (5) et d'un fil métallique (6), - une couche formée par bobinage simultané et côte à côte de deux fils métalliques (7) jusqu'à obtention de l'épaisseur désirée. 7. Pièce axisymétrique obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6.