Brevet FR2761619A1 — publié le 19981009

PROCEDE DE FABRICATION DE PROFILS COMPOSITES RENFORCES A MATRICE METALLIQUE ET A SYMETRIE AXIALE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication de composants renforcés par fibres par enroulement continu d'une fibre et application simultanée d'une matrice métallique par pulvérisation par plasma pour produire un profil à symétrie axiale dont les fibres sont alignées circonférentiellement. CONTEXTE DE L'INVENTION Face à l'évolution des applications auxquelles ils sont destinés, il convient d'améliorer les caractéristiques des matériaux monolithiques existants en termes de résistance et de ténacité. Ces exigences peuvent être satisfaites en renforçant les matériaux monolithiques par des fibres continues à haute résistance pour former des composites. Un corps en matériau composite comprend deux composants: la fibre à haute résistance, qui supporte la charge, et une matrice ductile qui répartit la charge. Les matrices métalliques qui comportent des fibres céramiques à haute résistance, notamment les alliages de titane ou d'aluminium renforcés par des fibres de SiC, donnent des composites dont il est possible de développer les caractéristiques de résistance, de rigidité, de résistance à la corrosion, de densité et de ductilité. Ces matériaux, qui présentent de meilleures propriétés que les matériaux monolithiques de base, sont mis en oeuvre selon différentes géométries (formes planes, incurvées, circulaires etc.), en fonction des exigences du composant -2- structurel utilisé. A l'heure actuelle, la fabrication de ces composites implique des procédés lourds à plusieurs étapes, essentiellement adaptés à la réalisation de pièces planes. Le brevet US 3 615 277 décrit un procédé de fabrication d'articles renforcés par fibre mettant en oeuvre des rubans composites monocouches. Le matériau sous forme de fibre est fixé sur un mandrin et placé en face d'un dispositif de pulvérisation par plasma. Le déplacement du mandrin selon un mouvement de rotation et de translation permet de déposer une couche matricielle homogène sur les fibres. Lors du refroidissement, le ruban contenant la monocouche fibres/matrice est retiré du mandrin et découpé selon la configuration requise. Le brevet US 4 518 625 décrit l'utilisation d'un pistolet à métallisation à arc pour pulvériser du métal en fusion sur des fibres préalablement alignées sur un grand tambour. On fait le vide dans la chambre contenant le tambour entouré de fibres puis on le remplit d'argon pour fournir un environnement inerte, exempt d'agents contaminants. Après pulvérisation, la monocouche est retirée et découpée aux dimensions requises. Ces deux procédés sont mis en oeuvre dans la fabrication de composants plans. Une pièce plane multicouche est produite par empilage de plusieurs monocouches découpées qui sont ensuite compactées par application d'une pression et/ou d'une température externes. Les fibres doivent être alignées sur le tambour ou le mandrin à l'aide de liants organiques qui devront être éliminés, avant compactage, lors -3- d'un cycle de combustion totale, lesdits liants organiques étant sources de contamination en cas d'élimination incomplète. L'application de hautes températures ou pressions pour compacter les piles peut endommager les fibres. Les différentes techniques de fabrication de composants à symétrie axiale sont les suivantes: pressage de plusieurs monocouches matrice/fibres, enroulement d'un fil et revêtement des fibres. Dans le premier cas, le procédé consiste à presser plusieurs mats de film/fibres, chaque monocouche étant déposée sous la forme d'un disque matriciel plan. Dans un premier temps, les sillons sont gravés dans la direction circonférentielle par attaque chimique ou photolithographie. On obtient alors un disque gravé dans lequel un seul brin de la fibre est aligné circonférentiellement, à l'aide de liants organiques. Ces monocouches fibre/matrice sont ensuite pressées à chaud pour obtenir un composite circulaire dans lequel les fibres sont orientées circonférentiellement, là encore en appliquant des températures ou des pressions élevées pour le compactage. Dans ce procédé, la matrice à utiliser doit se présenter sous forme de feuille. Ce n'est pas toujours le cas, en particulier avec les matrices à faible ductilité, comme certains aluminures de titane, nickel ou fer. De plus, les éventuels résidus carbonés résultant du cycle de combustion totale peuvent entraîner des problèmes de fabrications tels que: a) formation de pores, b) oxydation de la matrice interne durant les traitements thermiques ultérieurs, se traduisant par des propriétés mécaniques médiocres; et c) le carbone du résidu carboné se combine chimiquement avec la matrice pour former des carbures fragiles. - 4 - Dans le procédé d'enroulement de fil, les fibres et la matrice qui se présentent sous la forme de fils sont enroulés autour d'un mandrin. Le mécanisme d'enroulement requiert un équipement de précision pour garantir un espacement approprié et une répartition adéquate des fibres sur l'ensemble du composite. Le diamètre du fil de la matrice détermine le rapport volumique des fibres. Après obtention d'une épaisseur d'enroulement adéquate, l'ensemble est inséré dans un boîtier dans lequel on fait le vide. L'ensemble est ensuite soumis à une compression isostatique à chaud (HIP), pour former un composant à symétrie axiale. Dans ce procédé, le matériau de la matrice doit se présenter sous la forme de fils, ce qui limite encore la gamme de matériaux adaptés. Ce procédé exclut naturellement l'utilisation de matrices de faible ductilité. Etant donné la nature de l'enroulement, la porosité de la préforme peut atteindre 30 %, ce qui peut conduire au déplacement des fibres et à une possible détérioration lors de la compression isostatique à chaud. Le matériau du boîtier doit être retiré par usinage après compression isostatique à chaud, augmentant de ce fait les coûts de traitement. Le troisième procédé implique le revêtement de la fibre de renfort par un alliage matriciel selon un procédé de déposition rapide tel que la déposition par faisceau d'électrons (EBD). Les différents brins de fibre sont mis en rotation au-dessus d'un bain d'alliage en fusion. L'évaporation de l'alliage peut être obtenue lors d'une étape unique, si la tension de vapeur des différents composants de l'alliage est de l'ordre de 1 torr, ou bien par coévaporation des composants. Les fibres revêtues sont utilisées pour - 5 - réaliser une préforme de profil approprié, qui est ensuite consolidée par compression à chaud sous vide ou compression isostatique à chaud, en vue de produire un matériau 100% dense. De même que pour le procédé d'enroulement de fil, il est nécessaire de disposer d'un équipement de haute précision pour maintenir et faire tourner la fibre afin de garantir un revêtement homogène d'alliage matriciel autour de la fibre. Aucune des techniques susmentionnées ne permet de produire un composant à symétrie axiale en une seule étape. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes susmentionnés, inhérents aux techniques de fabrication actuelles, en développant un procédé à une seule étape permettant de fabriquer des pièces composites à symétrie axiale, renforcées par fibres. RESUME DE L'INVENTION Selon la présente invention, une pièce composite renforcée par une fibre continue est fabriquée par enroulement de ladite fibre et pulvérisation simultanée par plasma de la matrice sur un mandrin rotatif, ladite pièce à symétrie axiale étant produite avec plusieurs couches de fibres alignées circonférentiellement. Un ou plusieurs brins de fibres sont fixés/enroulés sur un mandrin; et simultanément aspergés du matériau pulvérulent chauffé de la matrice selon un procédé de pulvérisation thermique. Le mouvement combiné de rotation et de translation du mandrin garantit la production d'une pièce composite à symétrie axiale. -6- Après pulvérisation, la pièce peut être soumise à un autre compactage par compression isostatique à chaud et à des modifications microstructurelles par traitement thermique, en fonction des exigences de conception spécifiques à l'application envisagée. La pièce ainsi obtenue comporte un matériau sous forme de fibre, noyé dans la matrice pulvérisée par plasma, la fibre représentant jusqu'à 40 % en volume de la pièce. La vitesse du mouvement combiné de rotation et de translation du mandrin détermine le rapport volumique et l'espacement des fibres, tandis que la géométrie du mandrin détermine la forme du composite produit. A partir d'une matrice en poudre et de fibres, on produit ainsi en une seule étape une pièce composite légère qui contient plusieurs couches fibre/matrice et présente la forme souhaitée. La pièce à symétrie axiale produite peut être utilisée soit directement soit comme insert dans d'autres composants, avec ou sans compactage ultérieur. Il y a lieu de noter qu'un composite de ce type pèse significativement moins lourd que des matériaux classiques de résistance comparable. BREVE DESCRIPTION DES SCHEMAS La figure 1 montre un anneau composite à matrice en titane fabriqué selon le procédé de l'invention. La figure 2 est une représentation schématique d'un exemple d'installation permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. -7- La figure 3a illustre la microstructure brute de pulvérisation (agrandissement X 240) de l'anneau composite représenté en figure 1; La figure 3b illustre une microstructure mordancée (agrandissement X 300) de l'anneau composite représenté en figure i; La figure 4 est une micrographie (X 300) de l'anneau de la figure 1, après un cycle de compression isostatique à chaud; et La figure 5 montre la microstructure (X 300) de l'anneau composite représenté en figure 1 après traitement thermique à 950 C pendant 2 heures. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le procédé selon l'invention susmentionnée permet de réaliser des pièces composites renforcées par fibres pour éléments rotatifs de turbine à gaz. En utilisant un procédé continu à une seule étape, on peut déposer des matrices renforcées denses selon l'épaisseur souhaitée. La large gamme d'applications envisagées peut inclure des pièces renforcées de manière sélective, à côté de pièces réticulaires ou de toute pièce rotative ou fixe à symétrie axiale. Les applications peuvent inclure des composants pour l'industrie aérospatiale, y compris des inserts pour couronnes à aubes intégrales, rotors à aubes intégrales, bagues d'espacement et compresseurs centrifuges. Une longueur de fibre continue et/ou des brins de fibres multiples sont montés à l'intérieur d'une chambre de pulvérisation à chaud, par exemple une -8- installation de pulvérisation par plasma sous vide (VPS). La longueur de fibre, qui peut être montée sur une bobine, est alimentée via un élément de guidage de fibre et fixée à un mandrin en acier doux, cuivre, titane ou autre matériau adéquat pour un mandrin. L'élément de guidage de fibre autorise le libre passage de la totalité de la fibre sur le mandrin, tout en maintenant une tension appropriée sur ladite fibre. Le mandrin est relié à une unité de commande apte à commander sa vitesse de rotation et de translation. Une matrice sous forme pulvérulente est dans un premier temps pulvérisée sur le mandrin, puis sur le substrat constitué par la matrice et les fibres. Le mécanisme d'alimentation en fibre et la torche à plasma sont de préférence fixes, tandis que le mandrin effectue un mouvement de rotation et de translation pendant qu'il reçoit le matériau de matrice pulvérisé ainsi que les fibres. Ce procédé permet de fabriquer la pièce composite en une seule étape. Dans une variante, le mécanisme d'alimentation en fibre et la torche à plasma sont translatés par rapport à un mandrin rotatif. Dans ledit procédé, la méthode de pulvérisation de la matrice en vue d'obtenir le composite est déterminée par les caractéristiques de la torche à plasma et le type de matériau de la matrice. Une grande variété de matériaux métalliques pour matrice, tous disponibles sous la forme de poudres, est utilisée pour ledit procédé, chaque matériau ayant des caractéristiques de pulvérisation par plasma différentes. Cette large gamme de matériaux inclut également, de manière non limitative, les matrices de plus faible ductilité telles que les aluminures de titane, de nickel ou de fer. -9- La fixation initiale de la longueur de fibre sur le mandrin ne requiert pas l'utilisation de liants organiques et peut être effectuée au moyen d'un dispositif mécanique. Cette fixation, qui peut être réalisée avec une longueur de fibre unique, peut être étendue à plusieurs longueurs de fibre pour les gros volumes de fibres. La rotation du mandrin exerce une traction sur la fibre tout en maintenant la tension via l'élément de guidage de fibre. Les particules en poudre de la matrice sont chauffées dans le plasma jusqu'à un état fondu ou semi-fondu avant d'être déposées sur les fibres et le mandrin/substrat rotatif. En quittant la torche à plasma, ces gouttelettes semi-fondues viennent en contact avec les fibres et refroidissent très rapidement. Du fait de la brièveté du contact entre les fibres et la matrice semi-fondue, les réactions fibre/matrice sont quasiment éliminées. De même, étant donné que la matrice semi-fondue se refroidit sur les fibres, celles-ci sont maintenues rigidement en place. La distribution des fibres est ainsi maintenue durant le traitement suivant, tel qu'une liaison par diffusion sur d'autres composants. Les matrices réactives et celles qui sont disponibles sous forme pulvérulente peuvent être utilisées dans ce procédé de fabrication de composites. L'invention présente l'avantage certain de permettre de fabriquer, directement à partir des matières premières, un composant à symétrie axiale dont les fibres sont agencées dans la direction circonférentielle. On peut développer une grande variété de systèmes fibre/matrice compatibles pour réaliser des pièces à symétrie axiale. Ces pièces - 10 - peuvent être utilisées dans des composants de turbine à gaz, des inserts pour éléments fortement sollicités, des machines rotatives ou tout autre composant à symétrie axiale et soumis à des sollicitations. L'invention supprime la nécessité de préparer une ébauche de préforme, réduisant ainsi la susceptibilité à la contamination lors des opérations ultérieures. Ce procédé améliore les caractéristiques et élargit le champ d'application du traitement de pulvérisation à chaud actuel. Pour l'opérateur et le consommateur final de pièces de machine traitées par pulvérisation à chaud, la présente invention peut être complémentaire de la fabrication monocouche existante et permettre de fabriquer des pièces planes ou à symétrie axiale à partir d'un même équipement de base. Le mandrin peut être réalisé en cuivre, en acier doux, en titane, en superalliages ou en autres matériaux suivant l'application envisagée. La rénovation et la réparation de composants existants à symétrie axiale devant présenter une meilleure tenue aux sollicitations peuvent être réalisées conformément à l'invention. Le mandrin peut consister en un composant de machine existant, destiné à un traitement de réparation/rénovation. Si l'on se réfère à présent aux dessins, la figure 1 représente une pièce composite réalisée conformément à l'invention, c'est-à-dire par - 11 - enroulement d'une fibre continue et pulvérisation simultanée par plasma du matériau défini dans l'exemple 1. La figure 2 montre un appareil de pulvérisation par plasma sous vide permettant de fabriquer des structures composites. Un mandrin 10 est monté rotatif autour de son axe longitudinal avec capacité de translation le long de ce même axe, tel qu'indiqué par les flèches. Les autres composants principaux consistent en une torche à plasma fixe 12 et une bobine de fibre fixe 14. Un moyen de commande (non représenté) est employé pour commander la vitesse de rotation et de translation et contrôler l'efficacité du procédé. La fibre est guidée à travers un orifice ménagé dans un élément solide fixe (non représenté), positionné à proximité du mandrin. La figure 3a montre un dépôt de matrice dense sur les fibres de l'élément brut de pulvérisation de la figure 1. Les matériaux constitutifs de la fibre et de la matrice sont ceux décrits dans l'exemple 1. On peut voir des particules complètement fondues, formant les contours des couches de la matrice. Il n'y a pas de réactions interfaciales entre les fibres et la matrice. Des particules sporadiques grandes et angulaires forment des pores qui sont ensuite éliminés lors du traitement de compression isostatique à chaud (voir figure 5). La figure 3b montre une microstructure mordancée de l'anneau composite de la figure 1 (exemple 1). La finesse de la microstructure résulte du refroidissement rapide des particules de la matrice lors du contact avec le substrat rotatif. - 12 - L'échantillon représenté ne présente aucun symptôme de réactions interfaciales. La figure 4 est une micrographie de l'anneau obtenu après un cycle de compression isostatique à chaud. La porosité est pratiquement éliminée (moins de 1%). On n'observe aucune réaction interfaciale. La figure 5 montre la microstructure de l'anneau composite représenté en figure 1, après traitement thermique à 950 C pendant 2 h. Tous types d'arbres, bagues et entretoises pour automobile et autres dispositifs peuvent être fabriqués selon la présente invention à partir d'un système fibre/matrice compatible. Pour les applications aérospatiales, tels qu'un insert pour rotor de compresseur, on peut préparer un anneau tel que décrit dans les exemples suivants: Exemple 1 Un anneau en Ti-6A1-4V/SCS-6 a été préparé de la même manière que celui représenté en figure 1. Les fibres en carbure de silicium ont été achetées auprès de Textron Specialty Materials, Lowell, Massachussets. Le matériau de la matrice (Ti-6A1-4V) a été acheté auprès de Micron Materials Inc. L'anneau faisait 4 mm d'épaisseur, 5 cm de diamètre et comptait 20 couches de fibre/matrice. Dans ce cas, le mandrin consistait en un tube de cuivre. La pièce composite a été entièrement fabriquée en moins de minutes, lors d'une étape unique. Exemple 2 L'anneau tel que préparé dans l'exemple 1 a été soumis à un cycle de compression isostatique à - 13 - chaud sous 30 ksi et à 870 C. Le produit est représenté sur la figure 4. On a obtenu une matrice entièrement dense sans aucun dommage au niveau de la fibre et du revêtement de fibre. Exemple 3 L'anneau comprimé à chaud de façon isostatique selon l'exemple 2 a été traité à 950 C pendant deux heures pour modifier la microstructure et obtenir des propriétés appropriées à une application particulière. La microstructure résultante est représentée sur la figure 5. La microstructure ne présente aucun symptôme de réactions interfaciales. Exemple 4 Un anneau a été préparé comme dans l'exemple 1 et comme représenté sur la figure 1, la rotation du mandrin cible étant réglée à 60 tr/min et la vitesse de translation à 2 mm/s. La vitesse d'alimentation en poudre a été réglée à 22,6 g/min d'une poudre de 70 à pm de granulométrie, avec un total de 5 passes de pulvérisation. Chaque passe consiste en un mouvement longitudinal complet vers le haut et un mouvement longitudinal complet vers le bas. - 14 - REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de composites à symétrie axiale, renforcés par une fibre continue, comprenant les étapes suivantes: a) fournir un mandrin doté d'une surface, b) fournir une pulvérisation de matériau métallique fondu, dirigée vers la surface du mandrin, et c) simultanément et de façon continue, déposer une fibre de renfort autour dudit mandrin et pulvériser sur ladite fibre ledit matériau métallique fondu pour former une structure présentant de multiples couches de fibres noyées dans une matrice dudit matériau métallique sur ledit mandrin. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau métallique consiste en un alliage de titane. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fibre est en carbure de silicium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pulvérisation de matériau fondu est effectuée par pulvérisation par plasma. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pulvérisation est fixe tandis que ledit mandrin décrit un mouvement de rotation et de translation le long de son axe principal pendant le dépôt. - 15 - 6. Procédé de fabrication de composites à symétrie axiale, renforcés par une fibre continue, comprenant les étapes suivantes: a) fournir un mandrin, b) fournir un dispositif de pulvérisation par plasma pour pulvériser un matériau métallique fondu, c) fournir une source de fibres de renfort d) simultanément et de manière continue, déposer lesdites fibres à haute résistance autour dudit mandrin et pulvériser sur lesdites fibres ledit matériau métallique fondu pour former un composite présentant de multiples couches de fibres noyées dans une matrice dudit matériau métallique sur ledit mandrin, et e) séparer le composite dudit mandrin. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que durant ladite phase de déposition, ledit mandrin est en rotation tandis que ladite source de fibres et ledit dispositif de pulvérisation par plasma sont translatés parallèlement à l'axe principal dudit mandrin. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mandrin est réalisé dans un matériau choisi parmi le cuivre, l'acier doux, le titane ou les superalliages. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mandrin est un composant de machine existant destiné à une opération de réparation/rénovation. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également l'étape - 16 - consistant à soumettre ladite structure à un post- traitement par compression isostatique à chaud et/ou traitement thermique. 11. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend également l'étape consistant à soumettre ladite structure à un post- traitement par compression isostatique à chaud et/ou traitement thermique.