Brevet FR2922898A1 — publié le 20090501

PERFECTIONNEMENTS AUX ALLIAGES CU-AL-NI-FE ET SONDE POUR LA MESURE D'UN PARAMETRE PHYSIQUE COMPORTANT UN ELEMENT DANS UN TEL ALLIAGE La présente invention est relative aux alliages de cuivre. Plus particulièrement, elle concerne les alliages présentant des caractéristiques mécaniques, thermiques et électriques permettant de les 10 utiliser dans des sondes fortement sollicitées à la fois thermiquement et mécaniquement, et en particulier dans des sondes utilisées dans le domaine de l'aéronautique, par exemple, pour la mesure de température totale d'air et/ou de pression totale ou statique en entrée de moteur ou encore pour des mesures à l'extérieur des aéronefs. 15 De nombreuses sondes en ce sens sont déjà connues. On connaît déjà notamment des sondes de température totale d'air dégivré du type de celle représentée sur la Figure 1. 20 Une telle sonde 1 comporte notamment une prise d'air 11 rapportée sur un corps profilé 2 dans lequel est ménagé un conduit 3 permettant l'écoulement du fluide à mesurer et communiquant avec la prise d'air par l'intermédiaire d'une zone de séparation inertielle 4. Cette zone permet de 25 séparer de l'air les éléments de masse importante relativement à celui-ci (eau, givre, sable, .) par centrifugation, ceux-ci étant évacués du capteur par une zone d'éjection 5 opposée à la prise d'air. Afin d'éviter les phénomènes de décollement du fluide dans la zone de séparation inertielle 4, des trous 6 sont ménagés dans la paroi de celle-ci, du côté 30 opposé à la zone d'éjection 5 et communiquent avec l'extérieur par l'intermédiaire d'une chambre 7 qui s'étend transversalement dans l'épaisseur du corps du profilé 2. Le différentiel de pression existant entre5 l'intérieur et l'extérieur du capteur permet l'aspiration de la couche limite par les trous 6...DTD: L'ensemble de la prise d'air 11, du corps profilé 2, du conduit 3, de la 5 zone de séparation inertielle 4 et de l'éjection 5 est dégivré électriquement par des résistances chauffantes. Un élément formant capteur de mesure s'étend à l'intérieur dudit conduit 3. Cet élément 9 est par exemple un fil de platine constituant une 10 résistance thermométrique, isolé thermiquement du corps profilé 2. Les différents fils formant résistance thermométrique ou résistance de chauffage sont reliés à une embase de connexion 10. 15 Le corps profilé de cette sonde est généralement dans un alliage de cupro-béryllium. Les cupro-béryllium présentent en effet d'excellentes caractéristiques mécaniques, thermiques et électriques dans leurs différents états 20 métallurgiques : une limite élastique de 200 à 500 Mpa et plus, une résistance à rupture de 300 à 800 Mpa et plus, un allongement à rupture supérieur à 20%, une conductivité thermique de 100 W/m.K et plus. Si la présence de béryllium améliore notablement les propriétés 25 générales du matériau, les poussières métalliques sont néanmoins toxiques pour l'opérateur lors des opérations d'usinage ou d'assemblage. Dans un souci de protection du personnel, on souhaite aujourd'hui pouvoir utiliser des alliages dépourvus de béryllium. De nombreux alliages Cu-Al-Ni-Fe sont déjà connus. 30 La Demanderesse a déjà proposé dans sa demande de brevet FR 2 849 060 d'utiliser un alliage composé de 3 à 6% en masse d'Aluminium, de 3 à 6,5% en masse de Nickel, de 1 à 4,5% en masse de Fer, de 0,1 à 1% en masse de Silicium, de 0,1 à 1% en masse de Manganèse, de 0,05 à 1% en masse d'étain, les éléments chimiques autres étant de teneurs en masse inférieures à 1% , la balance étant faite par le Cuivre. L'exemple particulier qui est donné dans cette demande est celui d'un alliage dont la composition est de l'ordre de 4,5 % en masse d'Aluminium, de 4 % en masse de Nickel, de 2 % en masse de Fer, de 0,5 % en masse de Silicium, de 0,3 % en masse de manganèse et de 0,1 % en masse d'étain. La Demanderesse a depuis sélectionné un autre alliage qui de façon inattendue permet de bien meilleure caractéristiques thermiques et mécaniques, tout en permettant d'assurer la répétabilité de celles-ci d'une coulée à une autre. Plus particulièrement, cet alliage comporte de 3,8 à 4,4% en masse d'Aluminium, de 4,2 à 5% en masse de Nickel, de 1,7 à 2,1% en masse de Fer, des additifs comprenant du Silicium, du Manganèse, du Chrome et du Titane, le Silicium étant présent avec une teneur de moins de 0,8% en masse, le Manganèse étant présent à moins de 0,15% en masse, le Chrome étant présent à moins de 0,3% en masse, le Titane étant présent à moins de 0,1% en masse, la totalité des éléments chimiques autres étant de teneur en masse inférieure à 1%, chacun étant présent en masse à moins de 0,05%, la balance étant faite par le Cuivre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, la figure annexée, sur laquelle on a représenté une sonde de température totale d'air est donnée à titre de simple exemple d'illustration. Une sonde conforme à un exemple de réalisation possible comporte une structure du type de celle illustrée sur la figure 1 û déjà discutée, dans laquelle la pièce qui constitue le corps profilé 2 et la prise d'air 11 est en un alliage en Cu-Al-Ni-Fe ayant une composition : - de 3,8 à 4,4% en masse d'Aluminium, - de 4,2 à 5% en masse de Nickel, - de 1,7 à 2,1% en masse de Fer. 10 La composition comporte également des additifs comprenant du Silicium, du Manganèse, du Chrome et du Titane, avec les teneurs suivantes : moins de 0,8% en masse de Silicium, moins de 0,15% en masse de Manganèse, 15 moins de 0,3% en masse de Chrome, - moins de 0,1% en masse de Titane. Ces valeurs sont des valeurs maximales mesurées sur produit fini. Une partie de ces additifs est en effet vaporisée lors de la fusion de 20 l'alliage. Ces additifs sont néanmoins nécessaires pour garantir les qualités de l'alliage. Par exemple le titane ajouté comme antioxydant est consommé lors de la fusion de l'alliage pour piéger l'oxygène et n'est présent qu'à 0,1% au maximum en résiduel sur produit fini. 25 On notera en particulier que la limitation des tolérances des principaux composants permet de garantir la répètabilité des caractéristiques mécaniques et thermiques, et limite donc les écarts de performance d'un lot de fabrication à l'autre. 30 Les additifs ajoutés lors de la fusion, tel que titane, chrome, silicium, manganèse, permettent de garantir les propriétés suivantes : La coulabilité et fluidité de l'alliage en fusion grâce à la présence du silicium.5 La non oxydation du bain d'alliage en fusion sous l'action du titane qui en se consumant consomme l'oxygène. Des caractéristiques mécaniques élevées grâce à l"action du manganèse et du chrome au joint de grain. L'action combinée de tous ces additifs permet de garantir une très bonne qualité matière en particulier dans l'absence de fissuration, retassures ou manque matière dans les détails fins 10 Les éléments autres que Cu, Al, Ni, Fe, Si, Mn, Cr et Ti sont, chacun, à des teneurs en masse inférieures à 0,05% pour un total en masse inférieur à 1%. La balance est faite par le Cuivre. Un tel alliage présente d'excellentes propriétés de coulabilité en fonderie, permettant l'obtention de détails géométriques fins nécessaires à l'optimisation des performances des sondes. 20 Il garantit un niveau de reproductibilité de la géométrie des pièces réalisées par fonderie et donc une stabilité de performance d'une sonde à l'autre. Il présente une bonne aptitude à l'usinabilité par moyens 25 conventionnels ou par électroérosion. Il est adapté à tous procédé d'assemblage par brasure, soudure, soudo-brasage, collage, sur pièces de même alliage ou sur différents aciers inoxydables. Il garantit des caractéristiques mécaniques et thermiques similaires à l'alliage CuBe, sans traitement thermique particulier. 15 30 Il est adapté aux traitements de surface électrolytiques ou chimiques II présente en outre une bonne résistance au brouillard salin et a la corrosion Sur des lots bruts de fonderie, les caractéristiques mécaniques sont de l'ordre de 200 Mpa et plus pour la limite élastique, 350 Mpa et plus pour la limite à rupture, 12% et plus d'allongement à rupture et 50 W/m.K et plus pour la conductivité thermique. Ces valeurs présentent une bonne répétabilité d'une coulée à l'autre. Les additifs permettent d'améliorer et de garantir la qualité et la coulabilité de la matière Dans le cas d'un traitement de fonderie, celui-ci peut être un traitement de fonderie brute, un traitement de fonderie avec traitement thermique, suivis ou non de traitements de mises en forme (par exemple d'usinage), d'un traitement de fonderie suivi immédiatement d'opérations de mise "en forme (par exemple d'usinage). On notera que de façon générale, la sonde comporte au moins un 20 élément en un alliage du type précité. Il s'agit avantageusement d'une sonde pour la mesure d'au moins un paramètre physique tel que température, pression, débit, vitesse, incidence. 25 De façon particulièrement préférée, la sonde proposée est une sonde à moyens de dégivrage thermique pour la mesure d'au moins un paramètre physique sur un flux de fluide. La sonde proposée est par exemple une sonde pour la mesure de 30 paramètres physiques en entrée d'un moteur ou à l'extérieur d'un aéronef. On notera que dans une sélection particulièrement avantageuse, les éléments autres que Cu, Al, Ni, Fe, Si, Mn, Cr et Ti sont, chacun, à des teneurs en masse inférieures à 0,05% pour un total en masse inférieur à 1%. A titre d'exemple plus particulier, un alliage utilisé pour réaliser le 5 corps de sonde est avantageusement un alliage composé comme suit : Cu : balance Al : 4,464 cYo Ni:4,138% Fe : 1,857 % 10 Si : 0,440 0/0 Mn :0,113% Cr : 0,088 % Ti : 0,006 % Le corps de sonde est obtenu par procédé de fonderie dit de 15 � coulée à cire perdue � permettant d'obtenir une carapace en matériau réfractaire dans laquelle est coulé ledit alliage de fonderie. Les taux d'apport des additifs tels que Cr et Ti lors de la préparation de la coulée étant respectivement de 0,1 % et 0,01 % . Re (Mpa) Rm (Mpa) A (%) Nouvel Alliage (*) 238 379 16.4 227 351 18 218 354 18 Alliage (*) suivant 182 386 21 exemple particulier 186 364 23 donné dans 178 351 30 FR 2 849 060 189 376 21 (*) Valeurs obtenues sur plusieurs coulées avec mêmes paramètres de procédé et même températures de coulées Un tel alliage garantit une coulabilité matière optimum afin d'obtenir 25 des détails de fonderie plus précis et une répétabilité dimensionnelle et géométrique des pièces coulées, ceci tout en garantissant une santé 20 matière accrue et des caractéristiques mécaniques et thermiques élevées, la restriction de tolérances des pourcentages des principaux composants et l'ajout d'additifs permet d'obtenir le meilleur compromis entre coulabilité et répétabilité dimensionnelle et caractéristiques mécaniques Dans une variante de réalisation, un traitement de frittage est également mis en oeuvre. Un tel alliage présente une limite élastique supérieure à 200 Mpa, une résistance à la rupture supérieure à de 350 Mpa, un allongement à la rupture supérieure à 15% et une conductivité thermique supérieure à 50 WIm.K. REVENDICATIONS 1. Alliage Cu-Al-Ni-Fe dont la balance est faite par le cuivre et caractérisé en ce qu'il comporte de 3,8 à 4,4% en masse d'Aluminium, de 4,2 à 5% en masse de Nickel, de 1,7 à 2,1% en masse de Fer, des additifs comprenant du Silicium, du Manganèse, du Chrome et du Titane, le Silicium étant présent avec une teneur de moins de 0,8% en masse, le Manganèse étant présent à moins de 0,15% en masse, le Chrome étant présent à moins de 0,3% en masse, le Titane étant présent à moins de 0,1% en masse, la totalité des éléments chimiques autres étant de teneur en masse inférieure à 1%, chacun étant présent en masse à moins de 0,05%, la balance étant faite par le Cuivre. 2. Sonde pour la mesure d'au moins un paramètre physique tel que température, pression, débit, vitesse, incidence, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément en un alliage selon la revendication précédente. 3. Sonde à moyens de dégivrage thermique pour la mesure d'au 20 moins un paramètre physique sur un flux de fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément en un alliage selon la revendication 1. 4. Sonde pour la mesure de paramètres physiques en entrée d'un 25 moteur ou à l'extérieur d'un aéronef, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément en un alliage selon la revendication 1. 5. Procédé pour la réalisation d'un élément en un alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met en met en oeuvre un traitement 30 de fonderie. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement de fonderie est un traitement de fonderie brute. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le traitement de fonderie est un traitement de fonderie avec traitement thermique. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les traitements thermiques sont suivis de traitements de mise en forme. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le 10 traitement de fonderie est suivi immédiatement d'opérations de mise en forme. 10. Procédé pour la réalisation d'un élément en un alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre un traitement de 15 frittage. 11. Utilisation d'un alliage selon la revendication 1 dans une sonde pour la mesure d'au moins un paramètre physique. 20 12. Utilisation selon la revendication 11 pour la mesure d'au moins un paramètre physique tel que température, pression, débit, incidence. 13. Utilisation selon la revendication 11 pour la mesure d'au moins un paramètre physique sur un flux de fluide. 14. Utilisation selon la revendication 11 pour la mesure d'au moins un paramètre physique en entrée d'un moteur ou à l'extérieur d'un aéronef. 25