Brevet FR2889469A1 — publié le 20070209

LIAISON AVEC PHASE LIQUIDE PROVISOIRE DE METAUX DISSEMBLABLES L'invention concerne la liaison avec phase liquide provisoire. Plus particulièrement, l'invention concerne la liaison avec phase liquide provisoire d'un alliage de cuivre à un alliage sans cuivre. La difficulté du soudage en aveugle a nui au domaine des échangeurs de chaleur à canaux fraisés. Un exemple d'un échangeur de chaleur à canaux fraisés est la paroi d'une tuyère de fusée, comme l'indique Damgaard et al, "Laser Welded Sandwich Nozzle Extension for the RL60 Engine" (prolongement de tuyère en sandwich soudé au laser pour le moteur RL 60), (AIAA-2003-4478), AIAA, Reston, VA, 2003. Dans un exemple d'échangeur de chaleur à canaux fraisés, un agencement de canaux est fraisé dans un matériau de base laissant des nervures entre les canaux. Une tôle ou un panneau de revêtement est placé au-dessus des nervures et soudé à cellesci (par exemple au moyen d'un laser ou d'un faisceau d'électrons depuis le côté de la tôle éloigné de la couche de base). On a proposé d'utiliser des alliages de cuivre pour échangeur de chaleur. La demande de brevet US 20040011023-Al référence l'utilisation de l'alliage GRCop-84 du Glenn Research Center de la NASA (composition nominale en pourcentages atomiques: Cu-8Cr-4Nb) dans un échangeur de chaleur. La demande de brevet US Portant le numéro de série 11/011 314 décrit une structure de paroi d'échangeur de chaleur ayant la forme d'un composite en un tel alliage de cuivre et un matériau dissemblable. Un aspect de l'invention met en jeu un procédé pour former un composant. Un matériau de brasage est assemblé entre des première et seconde parties de paroi pour former un sandwich. La première partie de paroi est constituée essentiellement de cuivre ou d'un alliage à base de cuivre. La seconde partie de paroi comprend au 2 2889469 moins un alliage sans cuivre. Le sandwich est chauffé. Le chauffage fond le matériau de brasage, provoquant une liaison avec phase liquide provisoire entre au moins une partie de la première partie de paroi et la seconde partie de paroi. Dans divers modes de réalisation, le procédé peut en outre comprendre le fraisage des zones détalonnées dans la première partie de paroi. La première paroi peut être constituée essentiellement de Cu-8Cr-4Nb. La seconde paroi peut être constituée essentiellement d'un superalliage à base de nickel, d'un acier inoxydable, ou d'un superalliage à base de fer. Le composant peut comprendre un échangeur de chaleur pour une chambre ou une tuyère de fusée. Les détails d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention sont présentés dans les dessins joints et la description ci-dessous. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront de façon évidente à partir de la description et des dessins, et à partir des revendications. La Figure 1 est une vue schématique d'une chambre de combustion et d'une tuyère d'éjection de moteur de fusée. La Figure 2 est une vue en coupe transversale d'une paroi d'échangeur de chaleur de la tuyère du moteur de la Figure 1. La Figure 3 est une vue éclatée avant intégration de la paroi de la Figure 2. La Figure 4 est une photomicrographie d'une région d'intégration de la paroi de la Figure 2. La Figure 5 est une vue en coupe d'un autre échangeur de chaleur. Des numéros de référence et désignations analogues dans les divers dessins indiquent des éléments analogues. La Figure 1 montre un moteur de fusée 20 ayant une chambre de combustion 22. Une tuyère 24 s'étend en aval de la chambre de combustion vers un échappement 26. La 3 2889469 tuyère peut être en forme de cloche et globalement symétrique autour d'un axe longitudinal central 500 du moteur. La Figure 2 montre schématiquement une structure de paroi d'échangeur de chaleur 40 de la chambre 22 et de la tuyère 24. La paroi 40 a une surface extérieure 42. A l'opposé de la surface extérieure 42 se trouve une surface intérieure 44 le long de l'intérieur de la chambre/tuyère, qui est exposée aux gaz d'échappement sortants. La paroi 40 comprend des canaux internes 46. Lors du fonctionnement du moteur, les canaux reçoivent un écoulement de fluide échangeur de chaleur. Un exemple de fluide échangeur de chaleur est un agent propulseur de pré-combustion ou un composant de celui-ci (par exemple un monergol ou l'un parmi un combustible et un oxydant). Le fluide reçoit la chaleur des gaz d'échappement pour refroidir la paroi 40. La paroi 40 peut être assemblée par intégration d'une structure en sandwich multicouche. La Figure 3 est une vue éclatée d'exemples de composants de sandwich. Une première couche 50 a une première surface qui forme au final la surface extérieure de paroi 42. La première couche 50 a une seconde surface 52 opposée à la première surface. La première couche 50 peut être choisie pour ses propriétés structurelles ou environnementales (par exemple résistance mécanique, résistance à la corrosion, conductivité thermique, et/ou résistance à l'érosion, etc). Une seconde couche 60 a une première surface qui forme au final la surface intérieure de paroi 44. La seconde couche 60 a une seconde surface 62 opposée à la première surface 44. Dans un exemple non limitatif de procédé de fabrication, un ou plusieurs canaux ouverts 64 sont fraisés sous la surface 62. Les canaux 64 définissent des zones détalonnées/évidées séparées par des zones ou nervures saillantes/relevées intactes 66 jointes par du matériau intact. Le matériau de la seconde 4 2889469 couche 60 peut être choisi pour sa facilité d'usinage ou d'un autre procédé de façonnage, son transfert thermique élevé, son faible poids, et analogues. Des exemples de matériaux sont les alliages à base de cuivre. Les couches et le sandwich peuvent être plats ou avoir une autre forme. Par exemple, les couches et le sandwich peuvent être tronconiques, les canaux s'étendant longitudinalement comme dans un précurseur de tuyère de fusée (en prenant ensuite la forme d'une cloche). Pour l'intégration des première et seconde couches, le sandwich comprend une couche de liaison 70 entre la première couche 50 et la seconde couche 60. La couche de liaison 70 a des première et seconde surfaces opposées 72 et 74. Quand le sandwich est assemblé, les surfaces 72 et 74 viennent au contact des surfaces 52 et 62 respectivement. Un exemple de matériau de liaison est un matériau de brasage à diffusion formant une phase liquide provisoire. Une liaison par diffusion TLP (à phase liquide provisoire) de superalliages à base de nickel les uns aux autres est bien connue (voir par exemple le brevet US N 3 678 570). Lors du chauffage, un ou plusieurs composants du matériau de brasage diffusent dans les matériaux adjacents. Les composants qui diffusent abaissent temporairement les points de fusion des matériaux adjacents, formant une phase liquide provisoire. Lorsqu'une diffusion plus poussée réduit la concentration de ces composants, les points de fusion abaissés reviennent aux points de fusion d'origine, ce qui forme une structure solide intégrée. Des exemples de matériaux de brasage pour lier la présente combinaison de matériaux dissemblables comprennent les superalliages à base de nickel ayant des concentrations de bore de 1 à 4 % en poids et des concentrations de silicium de 4 à 8 % en poids, typiquement en proportions inverses. Des exemples d'épaisseurs des matériaux de brasage vont de 37 à 50 pm, plus largement de 25 à 150 pm. La Figure 4 montre un exemple de jonction entre deux tels matériaux. Un premier matériau 80 peut être un superalliage à base de fer, trempable par précipitation, pratiquement sans altération de la microstructure. Le premier matériau illustré est l'alliage A286 (UNS S66286, composition nominale 25,5Ni, 15Cr, 1,25Mo, 2,lTi, 0,3V, le reste Fe, en % en poids). Un second matériau 82 peut être un alliage de cuivre GRCop-84 pratiquement sans altération. Les deux matériaux ont été joints par un procédé de liaison avec phase liquide provisoire utilisant un matériau de brasage MBF-20 ayant une épaisseur de 75 pm (AMS 4777, composition nominale 7Cr, 3Fe, 4,5Si, 3,2B, le reste Ni, en % en poids). Le chauffage est effectué par immersion dans un four sous vide à résistance électrique jusqu'à une température maximale de 1000 C à 1035 C environ, par exemple, de 1010 C. Dans la micro-structure de jonction résultante, on pense que la Figure 4 présente une couche fine 84 de matériau de brasage globalement intact. Sur l'un ou l'autre côté du matériau de brasage 84 se trouve une région de diffusion 86 ou 88. A l'intérieur de chacune des régions de diffusion 86 et 88, on pense qu'un transport différencié de divers composants provoque un aspect stratifié. On sait que le bore diffuse rapidement en solution solide, et que le bore réagit avec le chrome pour former des borures de chrome avec diverses stoechiométries. On pense que les structures de type chaîne dans la région 86 sont des borures de chrome résultant de la diffusion du bore à partir du matériau de brasage original dans l'alliage à base de fer. On pense qu'une diffusion et une réaction similaires du bore avec le chrome se produisent dans la région 88, dans laquelle les structures de type chaîne apparaissent plus lourdes et plus épaisses. Dans un test de force destructrice, la plupart des défaillances apparaissent à l'intérieur de l'alliage de 6 2889469 cuivre plutôt qu'au niveau de la séparation des joints. Ceci confirme l'intégrité des joints. Des exemples de résistances à la traction mesurées sont d'environ 400 MPa. Même les joints défectueux présentent des exemples de résistances limites à la traction mesurées d'au moins 90% et même d'au moins 100% de la résistance limite à la traction du cuivre ou de l'alliage de cuivre, par exemple GRCop-84. On observe une microstructure similaire avec des premiers matériaux en superalliages à base de nickel (par exemple alliage de nickel 625 (UNS N06625)) et en acier inoxydable (par exemple SS 347 (UNS S34700)). On observe aussi une microstructure similaire avec le matériau de brasage MBF-30 (AMS 4778, composition nominale 4,,5Si, 3,2B, le reste Ni, en % en poids). La Figure 5 montre un autre échangeur de chaleur 100 qui peut être formé par des procédés similaires. Un premier groupe de canaux 102 est fraisé sur un côté d'une couche en alliage de cuivre 110 et un second groupe de canaux 104 est fraisé sur le côté opposé, en laissant une âme entre eux. Des couches sans cuivre 112 et 114 (par exemple similaires à la première couche 50 de la Figure 3) sont liées par TLP aux côtés respectifs de la couche 110 pour enfermer les canaux respectifs 102 et 104. On peut utiliser une telle configuration pour réaliser un échange de chaleur entre les premier et second écoulements de fluide dans les canaux 102 et 104, respectivement. Bien que les canaux illustrés 102 et 104 soient parallèles, comme dans le cas d'un échangeur de chaleur à courant parallèle ou à contre-courant, d'autres configurations, y compris un écoulement croisé, sont possibles. On a décrit un ou plusieurs modes de réalisation de la présente invention. Néanmoins, on comprendra que diverses modifications peuvent être apportées sans que l'on s'écarte de l'esprit et du cadre de l'invention. Par exemple, des détails du composant particulier devant être formé peuvent influencer les détails d'un quelconque mode de réalisation particulier. En outre, bien que l'on décrive des échangeurs de chaleur pour application à des fusées dans certains présents modes de réalisation, l'invention n'y est pas limitée. Cette invention concerne n'importe quel alliage à base de cuivre qui est lié avec phase liquide provisoire à un alliage sans cuivre. Par conséquent, d'autres modes de réalisation rentrent à l'intérieur du cadre des revendications qui suivent. 8 2889469 REVENDICATIONS 1. Procédé pour former un composant caractérisé en ce qu'il comprend: l'assemblage d'un matériau de brasage entre des première et seconde parties de paroi pour former un sandwich, dans lequel - la première partie de paroi est constituée essentiellement de cuivre ou d'un alliage à base de cuivre; et - la seconde partie de paroi comprend au moins un alliage sans cuivre; et - le chauffage du sandwich, la fusion par chauffage du matériau de brasage provoquant une liaison avec phase liquide provisoire entre au moins une partie de la première partie de paroi et la seconde partie de paroi. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit composant comprend un échangeur de chaleur. 20 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie de paroi comprend une pluralité de zones saillantes séparées par des zones détalonnées, et caractérisé en outre en ce que lesdites zones détalonnées sont fraisées dans la première partie de paroi. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit fraisage comprend un fraisage mécanique. 30 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant le chauffage, ladite première paroi est constituée essentiellement d'un alliage de cuivre ayant des taux de chrome et de niobium supérieurs à des taux d'impuretés. 9 2889469 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant le chauffage, ladite première paroi est constituée essentiellement de Cu8Cr-4Nb, en pourcentages atomiques; et ladite seconde paroi est constituée essentiellement d'un superalliage à base de nickel, d'acier inoxydable, ou d'un superalliage à base de fer. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de brasage comprend au moins l'un 10 parmi: - un alliage à base de Ni contenant au moins 1 % en poids de B; - un alliage à base de Ni contenant au moins 1,5 % en poids de B et au moins 4 % en poids de Si; -un alliage à base de Ni ayant une composition nominale, en poids, d'environ 7 % de Cr, 3 % de Fe, 4,5% de Si, 3,2 % de B, le reste du Ni; et - un alliage à base de Ni ayant une composition nominale, en poids, d'environ 4,5 % de Si, 3,2 % B, le 20 reste du Ni. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage comprend un chauffage dans un four sous vide à résistance électrique. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé jusqu'à une température maximale d'environ 1000-103.5 C. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison confère une résistance limite à la traction des joints représentant au moins 90 % de la résistance limite à la traction du cuivre ou de l'alliage à base de cuivre. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison confère une résistance limite à la traction des joints représentant au moins 100 % de la résistance limite à la traction du cuivre ou de l'alliage à base de cuivre. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans la fabrication d'une tuyère ou d'une chambre de combustion de fusée. 13. Combinaison jointe de premier et second éléments métalliques, caractérisée en ce qu'elle comprend: - une première couche dudit premier élément métallique constitué essentiellement de l'un parmi un superalliage à base de nickel, un acier inoxydable, ou un superalliage à base de fer; -une seconde couche dudit second élément métallique constitué essentiellement de cuivre ou d'un alliage à base de cuivre; et - une région de transition joignant les première et seconde couches et comprenant: - une première région proche de la première couche et ayant une teneur en bore supérieure à celle de la première couche; et - une seconde région proche de la seconde couche et ayant une teneur en bore supérieure à celle de la seconde couche. 14. Combinaison selon la revendication 13, 30 caractérisée en ce que la région de transition comprend en outre: - une couche entre les première et seconde régions et constituée essentiellement d'au moins l'un parmi: - un alliage à base de Ni contenant au moins 1 % en poids de B; -un alliage à base de Ni contenant au moins 1,5 % en poids de B et au moins 4 % en poids de Si; - un alliage à base de Ni ayant une composition nominale, en poids, d'environ 7 % de Cr, 3 % de Fe, 4,5 % de Si, 3,2 % de B, le reste du Ni,t et - un alliage à base de Ni ayant une composition nominale, en poids, d'environ 4,5 % de Si, 3,2 % B, le reste du Ni.. 15. Combinaison selon la revendication 13, caractérisée en ce que la région de transition confère une résistance limite à la traction des joints représentant au moins 90 % de la résistance limite à la traction du second élément métallique. 16. Combinaison selon la revendication 13, caractérisée en ce que la région de transition confère une résistance limite à la traction des joints représentant au moins 100 % de la résistance limite à la traction du second élément métallique. 17. Combinaison selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle forme au moins une partie d'une chambre de combustion ou d'une tuyère de fusée. 18. Combinaison selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle forme au moins une partie d'un échangeur de chaleur, la région de transition divisant des premier et second canaux ou parties de canaux, lesdits canaux ou parties de canaux étant positionnés entre les première et seconde couches. 19. Combinaison selon la revendication 13, caractérisée en ce que chacune des première et seconde 35 couches a une épaisseur locale dépassant 1,0 mm.