Brevet FR2957551A1 — publié le 20110923

Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage, et en particulier celui de l'usinage des pièces en matériaux composites. La découpe des matériaux durs comme les matériaux composites, est couramment effectuée par la technique du jet d'eau, qui permet une découpe relativement franche, dans des conditions industrielles de réalisation. La découpe par jet d'eau comporte un dispositif d'alimentation en eau sous pression qui est reliée à une tête de découpe, telle, par exemple, que celle décrite dans la demande de brevet EP 1964646 de la demanderesse. La tête de découpe comporte un tube de collimation qui conduit l'eau vers une buse de très petit diamètre et qui débouche sur une chambre de mélange et d'accélération. Dans cette chambre est aspirée une poudre abrasive qui se mélange au jet d'eau et subit une forte accélération. Le mélange eau-poudre est ensuite envoyé en direction de la pièce à découper au moyen du canal cylindrique d'un canon de focalisation. Ces dispositifs sont parfaitement adaptés, par la quantité d'énergie qu'ils transmettent à l'eau et la qualité de leur focalisation, à la découpe traversante ou à la rectification d'un matériau composite, tel qu'un matériau à matrice céramique (CMC). Dans l'état actuel de l'art ces techniques ne sont pas mises en oeuvre pour d'autres techniques d'usinage et, en particulier, ne sont pas adaptées à des travaux de désépaississement d'un matériau composite ou à la réalisation d'ébauches préparatoires à la finition de pièces par un usinage classique. On connait par ailleurs des procédés d'élimination de la couche superficielle de résine sur les matériaux composites (dénommée habituellement "sealcoat" par les gens du métier) qui utilisent la projection d'eau sous pression, mais ces procédés, s'ils utilisent des buses analogues aux têtes de découpe, n'utilisent pas de poudre abrasive afin de ne pas détériorer le substrat, c'est-à-dire la partie fibreuse du matériau. Il y a donc un besoin d'un procédé simple et bon marché pour un désépaississement contrôlé des pièces dures en matériaux composites. Un tel procédé ne doit, en particulier, pas générer de défaut métallurgique du type d'un délaminage du matériau composite, ce qui nuirait par la suite à la tenue mécanique de la pièce finie. 2 La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de désépaississement d'une pièce en matériau composite par la mise en oeuvre de la technique de l'usinage par jet d'eau sous pression et l'utilisation d'une tête de découpe classique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de désépaississement d'une pièce en matériau composite, tel qu'un composite à matrice céramique, par projection sous pression d'un mélange d'eau et de particules abrasives par l'intermédiaire d'une tête de découpe comportant un tube de collimation, une buse d'accélération, une chambre de mélange dans laquelle sont aspirés les dites particules, et un canon de focalisation caractérisé en ce que la pression appliquée à l'eau en entrée de ladite tête est inférieure à 2000 bars. Cette pression relativement faible par rapport à la pression appliquée pour une découpe d'un matériau composite, permet de désépaissir le matériau en contrôlant la profondeur de ce désépaississement, et donc sans risquer de traverser le matériau. Avantageusement la tête de découpe est déplacée le long de la surface à désépaissir à une vitesse d'avancement supérieure à 2000 mm/min. La vitesse de passage de la tête participe au contrôle de la profondeur de désépaississement. Préférentiellement la tête de découpe est déplacée à une vitesse d'avancement supérieure à 10 000 mm/min. Dans un mode particulier de réalisation les particules sont en poudre de diamant ou en un matériau à base de silicium. Ce choix de ce matériau très dur permet d'usiner le matériau composite relativement rapidement, malgré la relative faiblesse de la pression appliquée. Préférentiellement la buse d'accélération est réalisée en céramique. Le choix de ce matériau permet d'éviter une usure de la buse, malgré celui effectué pour les particules abrasives. L'invention revendique également une utilisation, pour la réalisation d'une ébauche d'une pièce en matériau composite par projection sous pression d'un mélange d'eau et de particules abrasives, d'une tête de découpe comportant un tube de collimation, une buse d'accélération, une chambre de mélange dans laquelle sont aspirés lesdites particules, et un canon de focalisation, caractérisée en ce que la 3 pression appliquée à l'eau en entrée de ladite tête est inférieure à 2000 bars. Il est ainsi possible d'utiliser une buse standard, déjà connue pour la découpe des matériaux composites, pour un simple désépaississement d'une pièce réalisée en ce matériau. Il n'y a donc pas d'outillage particulier ou de tête spécifique à acquérir, ni de réglage spécial à effectuer pour le montage de la tête. On obtient ainsi un procédé simple et bon marché à mettre en oeuvre. L'invention revendique par ailleurs un procédé de réparation d'une pièce par rechargement de sa partie endommagée, caractérisé en ce qu'il comporte, avant application du rechargement, une étape de préparation de la surface de ladite partie endommagée comprenant la réalisation d'une opération de désépaississement tel que décrit ci-dessus. Le fait que l'opération de désépaississement se traduise par un état de surface rugueux est particulièrement adapté à une opération du type collage pour recharger une partie endommagée. Avantageusement ce procédé peut être appliqué à la réparation d'une aube d'une turbomachine. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'une tête de découpe par jet d'eau utilisée pour un désépaississement d'un matériau composite par l'application d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue d'un matériau composite désépaissi 30 par un procédé selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit une tête de découpe 1 comportant un tube de collimation 2 dans lequel circule un flux d'eau sous pression 3. Le tube de collimation 2 se termine par une buse 4 de très petit diamètre, typiquement de l'ordre de 0,2 ou 0,3 mm. Au passage 35 à travers cette buse l'eau subit une forte accélération, pour atteindre une vitesse de l'ordre de Mach 2,5, le nombre de Mach étant le rapport de la 4 vitesse d'un fluide par rapport à la vitesse du son dans ce fluide. En sortie de la buse 4 l'eau sous pression 3 pénètre dans une chambre de mélange et d'accélération 5 où sa vitesse produit une dépression qui aspire une poudre de particules abrasives 6 amenée par une canalisation branchée sur ladite chambre. La poudre abrasive se mélange à l'eau dans la chambre de mélange 5, et est entraînée à grande vitesse dans un canon de focalisation (7), de diamètre typiquement égal à 0,8 mm, d'où le mélange eau-poudre sort pour attaquer la pièce à usiner. Sur la figure 2 est représenté le résultat d'une opération de désépaississement d'un matériau en matériau composite à l'aide d'un dispositif de découpe par jet d'eau tel que décrit ci-dessus. La pièce présente trois gorges 11, 12 et 13 réalisées chacune par un balayage de la pièce par un jet d'eau 3 mélangé à des particules abrasives 6. On constate sur la figure que le désépaississement a été réalisé sans création de défaut métallurgique apparent, c'est-à-dire sans délaminage des fibres du matériau composite. Cet état métallurgique est néanmoins obtenu au prix d'un état de surface en fond de gorge qui présente une rugosité relativement élevée. On va maintenant décrire la mise en oeuvre d'un procédé de 20 désépaississement selon l'invention sur un matériau composite tel que celui représenté sur la figure 2. Alors que dans le cas d'une découpe, l'eau 3 est amenée dans le tube de collimation 2 à une pression typiquement de l'ordre de 3800 bars, ici, la pression utilisée est fortement réduite puisqu'elle se situe entre 25 seulement 500 et 2000 bars. Cette pression relativement faible permet de réduire l'agressivité du jet et de pouvoir piloter la descente du faisceau au sein du matériau à désépaissir. La buse 4 utilisée est une buse en céramique à base de silicium. Il convient de noter qu'une buse en céramique est préférable afin de 30 limiter son usure par le jet d'eau. Par ailleurs la tête de découpe utilisée pour le désépaississement est, à cette matière de la buse près, identique à celle d'une buse normale de découpe. Il n'y a donc pas besoin de faire de modification sur la machine-outil pour mettre en oeuvre une tête de désépaississement. 35 Les particules abrasives 6 choisies sont typiquement des particules de l'ordre 0,2 mm de diamètre, similaires à celles utilisées pour une découpe. Mais, contrairement aux poudres en carbure de bore utilisées pour les procédés de découpe, elles sont ici préférentiellement réalisées en poudre de diamant ou encore par des particules à base de nitrure ou de carbure de silicium, pour avoir une dureté plus grande et 5 ainsi pouvoir attaquer le matériau en dépit de la moindre pression donnée à l'eau 3. Les paramètres opératoires retenus pour effectuer un simple désépaississement et éviter un perçage intempestif sont, d'une part, le niveau de pression de l'eau 3 mentionné ci-dessus et, d'autre part, une vitesse de balayage relativement rapide. Ce balayage s'effectue à une vitesse d'avancement comprise entre 2000 et 20 000 mm/min, en fonction de la profondeur de désépaississement recherché. L'enlèvement de matière obtenu est alors de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm par passe, et peut être réalisé avec un pas de balayage de 0,5 à 2 mm de large. Étant données les vitesses d'avancement élevées obtenues avec ce procédé, il est possible de réaliser dans des délais relativement courts un désépaississement contrôlé sur une surface d'une pièce en matériau composite, même d'une grande dureté comme dans le cas d'un matériau en CMC. Par ailleurs l'état de surface obtenue en fond des gorges ne présente pas de délaminage mais, en revanche, il est relativement rugueux. Il est de ce fait parfaitement adapté pour servir de support à une opération de rechargement de matière, par exemple pour la réparation d'une pièce usée ou endommagée. La rugosité du fond permet alors un excellent accrochage du matériau rechargé. Une telle technique est tout à fait adaptée à la réparation d'une aube d'une turbomachine, telle par exemple qu'une aube de fan d'un turboréacteur à fort taux de dilution. Dans le cas où cette méthode est utilisée pour la réalisation d'une simple ébauche, un usinage final, par exemple à l'aide d'une fraise diamant, est nécessaire pour obtenir un état de surface satisfaisant. Mais la réalisation de l'ébauche par le procédé objet de l'invention permet un dégrossissage de la forme recherchée dans un temps relativement court et à des coûts réduits. Elle représente donc un progrès notable par rapport aux méthodes classiques d'usinage d'une ébauche, d'autant que la technique d'usinage par jet d'eau permet de suivre sans difficulté le profil de la pièce, quel que soit ce profil. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de désépaississement d'une pièce en matériau composite, tel qu'un composite à matrice céramique, par projection sous pression d'un mélange d'eau (3) et de particules abrasives (6) par l'intermédiaire d'une tête de découpe (1) comportant un tube de collimation (2), une buse d'accélération (4), une chambre de mélange (5) dans laquelle sont aspirés les dites particules (6), et un canon de focalisation (7) caractérisé en ce que la pression appliquée à l'eau (3) en entrée de ladite tête (1) est inférieure à 2000 bars. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la tête de découpe (1) est déplacée le long de la surface à désépaissir à une vitesse d'avancement supérieure à 2000 mm/min. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel la tête de découpe est déplacée à une vitesse d'avancement supérieure à 10 000 mm/min. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel les particules (6) sont en poudre de diamant ou en un matériau à base de 20 silicium. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la buse d'accélération (4) est réalisée en céramique. 6. Utilisation, pour la réalisation d'une ébauche d'une pièce en matériau composite par projection sous pression d'un mélange d'eau (3) 25 et de particules abrasives (6), d'une tête de découpe (1) comportant un tube de collimation (2), une buse d'accélération (4), une chambre de mélange (5) dans laquelle sont aspirés lesdites particules (6), et un canon de focalisation (7), caractérisée en ce que la pression appliquée à l'eau (3) en entrée de ladite tête (1) est inférieure à 2000 bars. 30 7. Procédé de réparation d'une pièce par rechargement de sa partie endommagée, caractérisé en ce qu'il comporte, avant application du rechargement, une étape de préparation de la surface de ladite partie endommagée comprenant la réalisation d'une opération de désépaississement selon l'une des revendications 1 à 6. 35 8. Application du procédé selon la revendication 7 à la réparation d'une aube d'une turbomachine.