Brevet FR2950394A1 — publié le 20110325

Piston pour moteur à combustion interne et procédé d'obtention de ce piston Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les pièces mécaniques soumises à des contraintes mécaniques et thermiques élevées, et en particulier le renforcement des zones critiques d'un piston de moteur à combustion interne sous de telles sollicitations. Arrière-plan technologique Pour réaliser des pistons de moteur à combustion interne en alliage à base d'aluminium. Il est notamment connu d'utiliser un procédé de moulage par gravité. Le piston présente généralement des zones critiques qui doivent être renforcées en fonction des caractéristiques du moteur associé. Lors du fonctionnement du moteur, le piston est soumis à des chargements thermiques et mécaniques qui peuvent entrainer l'endommagement du piston. Une première zone critique est le bol du piston dont le rôle est notamment d'agir sur la qualité du mélange entre les gaz d'admission et le carburant. Dans cette zone le chargement thermique est très élevé. Par exemple, pour des pistons adaptés pour des moteurs de type Diesel, les points chauds peuvent atteindre 400°C en bord de bol. Ce chargement thermique est dû aux flux thermiques issus de la combustion, aux échanges avec l'huile et les échanges thermiques avec le carter cylindre et les segments assemblés sur le piston. Dans cette zone les variations importantes de températures conduisent à l'apparition de déformations plastiques locales. C'est le phénomène de fatigue thermique qui peut donner lieu à l'apparition de fissures de fatigue thermique. Lors du fonctionnement du moteur, le piston est aussi soumis à des variations répétées de pressions de combustion, de forces d'inertie et à des forces latérales qui engendrent une alternance de contraintes mécaniques répétées. Ces variations importantes de contraintes mécaniques peuvent conduire à l'apparition de fissures. C'est le phénomène de fatigue mécanique ou polycyclique qui peut donner lieu à l'apparition de ces fissures de fatigue mécanique. Ce phénomène apparait au niveau du bord du bol et aussi dans deux autres zones critiques que sont les bossages du piston correspondant au point d'attache du piston à la bielle et la jupe du piston destiné à favoriser le guidage du piston dans le cylindre du moteur. Ces endommagements peuvent provoquer la ruine du piston. En outre, ces sollicitations thermomécaniques sont encore plus élevées lorsque le moteur est turbocompressé. De plus, l'augmentation de la puissance spécifique du moteur et les lois de dépollution mises en place conduisent également à l'augmentation des sollicitations dans les zones critiques. L'invention a pour but de résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention concerne donc un piston pour moteur à combustion interne, en alliage métallique, caractérisé en ce qu'il comprend des nanostructures de renfort réparties dans l'alliage métallique. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : Dans une variante, l'alliage métallique est un alliage à base d'aluminium. Selon une variante les nanostructures comprennent des nanofibres, des nanotubes ou des nanopoudres. Selon une autre variante, les nanostructures sont des nanopoudres qui comprennent du noir de carbone ou une poudre céramique. Selon une variante, les nanostructures représentent entre 2% et 20% en volume de l'alliage métallique. Selon une autre variante, ces nanostructures sont réparties de façon essentiellement uniforme dans l'alliage métallique. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un piston pour 30 moteur à combustion interne, comprenant une étape de fusion d'un alliage métallique, une étape de coulée de l'alliage métallique dans un moule de piston et une étape de moulage de l'alliage métallique, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'introduction de nanostructures dans l'alliage métallique en fusion. 35 Dans une variante les nanostructures sont introduites dans l'alliage métallique dans un four maintenant cet alliage métallique en fusion.25 Dans une variante les nanostructures sont introduites dans l'alliage métallique en fusion au cours de l'étape de coulée de l'alliage métallique dans le moule. Selon une autre variante, les nanostructures sont disposées dans le moule avant l'étape de coulée de l'alliage métallique. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence à la figure unique laquelle: - La figure 1 est une vue en coupe et en perspective d'un piston pour moteur à combustion interne. Description détaillée La figure 1 est une vue en coupe et en perspective d'un piston 1 pour moteur à combustion interne. Le piston 1 est destiné à résister à la pression de combustion et à la transmettre à une bielle, non représentée, afin de transformer un mouvement rectiligne alternatif en un mouvement circulaire uniforme. Dans l'exemple illustré, le piston 1 est destiné à un moteur de type Diesel. L'invention convient cependant à des pistons en alliage métallique pour tout type de moteur à combustion interne. Le piston 1 est de forme sensiblement cylindrique délimité latéralement par une jupe 2 et à la face supérieure 3 duquel est ménagé un bol 4 de piston. Le piston 1 comprend des bossages 5 solidaires du corps de piston 1. Des passages 6 cylindriques coaxiaux sont formés dans les bossages 5 pour permettre le passage d'un axe de liaison d'une bielle, non représenté, avec le piston 1. Le piston est généralement formé d'un alliage d'aluminium pouvant comprendre l'adjonction de silicium, associés à d'autres éléments tels que le cuivre, le magnésium et le nickel. Classiquement, trois familles d'alliages d'aluminium sont utilisées : les alliages dits hypoeutectiques dont la teneur en silicium est inférieure à 12% et couramment de l'ordre de 9%, les alliages dits eutectiques dont le pourcentage de silicium est compris entre 11% et 13% en fonction de la teneur des autres éléments et les alliages hypereutectique dont le pourcentage de silicium peut varier de 13% à 25%. L'invention propose de répartir des nanostructures de renfort dans au moins une partie de l'alliage métallique destiné à former le piston 1, de manière essentiellement uniforme ou selon des zones localisées. Les zones les plus sollicitées thermiquement et mécaniquement, telles que le bol 4 , la jupe 2 et les bossages 6 présenteront ainsi des propriétés de résistance thermique et mécanique améliorées, sans pour autant induire des modifications majeures du procédé de fabrication du piston. En améliorant ces propriétés, le dimensionnement du piston pourra être optimisé notamment en vue de l'alléger. Selon l'invention les nanostructures sont réparties dans l'ensemble de l'alliage métallique. La présence de nanostructures dans l'ensemble de l'alliage métallique permet d'améliorer ses propriétés de résistance mécanique et thermique, notamment en fatigue, dans l'ensemble des zones les plus sollicitées. Les nanostructures pourront être réparties de façon homogène dans l'alliage métallique. Les nanostructures désignent des objets de taille intermédiaire entre des structures moléculaires et des structures microscopiques. Les nanostructures incluent notamment des nanotubes, des nanofibres ou des nanopoudres. Les nanopoudres sont des poudres composées de nanoparticules. Les nanostructures incluses dans l'alliage métallique pourront notamment inclure des nanotubes tels que des nanotubes de carbone, du noir de carbone, une poudre céramique telle qu'une poudre d'alumine ou de carbure de silicium ou encore de zircone, ou des mélanges de nanopoudres de compositions distinctes. L'utilisation de nanostructures favorisera le blocage de la propagation d'éventuelles fissures dans l'alliage métallique. Les nanostructures représentent avantageusement entre 2 et 20 % en volume de l'alliage métallique. Les nanostructures sont noyées dans l'alliage métallique léger. L'inclusion de ces nanostructures dans l'alliage métallique léger du piston 1 permet d'augmenter son module d'élasticité ainsi que sa limite à la rupture. Le piston 1 pourra être réalisé à partir de procédés de fabrication usuels pour une telle pièce, par exemple par moulage par gravité. Les nanostructures pourront être introduites dans le matériau métallique à l'intérieur d'un four maintenant l'alliage métallique en fusion. Les nanostructures pourront également être introduites dans l'alliage métallique durant la coulée de moulage de ce matériau métallique en fusion. Dans ces variantes, l'alliage métallique sera agité mécaniquement pour assurer une répartition homogène des nanostructures. Les nanostructures pourront également être disposées dans le moule avant la coulée. Dans ce cas, les nanostructures seront mises préalablement en forme. Les préformes obtenues seront placées dans le moule au niveau des zones critiques du piston : le bol 4, la jupe 2 et les bossages 6. Revendications1. Piston pour moteur à combustion interne, en alliage métallique, caractérisé en ce qu'il comprend des nanostructures de renfort réparties dans l'alliage métallique. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage métallique est un 5 alliage à base d'aluminium. 3. Piston selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les nanostructures comprennent des nanofibres, des nanotubes ou des nanopoudres. 4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que les nanostructures sont des nanopoudres qui comprennent du noir de carbone ou une poudre céramique. 10 5. Piston selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanostructures représentent entre 2% et 20% en volume de l'alliage métallique. 6. Piston selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanostructures sont réparties de façon essentiellement uniforme dans l'alliage métallique. 15 7. Procédé de fabrication d'un piston pour moteur à combustion interne, comprenant une étape de fusion d'un alliage métallique, une étape de coulée de l'alliage métallique dans un moule de piston et une étape de moulage de l'alliage métallique, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'introduction de nanostructures dans l'alliage métallique en fusion. 20 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que les nanostructures sont introduites dans l'alliage métallique dans un four maintenant cet alliage métallique en fusion. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que les nanostructures sont introduites dans l'alliage métallique en fusion au cours de l'étape de 25 coulée de l'alliage métallique dans le moule. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que les nanostructures sont disposées dans le moule avant l'étape de coulée de l'alliage métallique.