Brevet FR2958299A1 — publié le 20111007

Méthode de fabrication d'un insert de forme allongée en matériau composite à matrice métallique. La présente invention concerne le domaine des matériaux composites à matrice métallique et vise plus particulièrement un procédé de fabrication d'un insert formé de fibres céramiques dans une matrice métallique pour renforcer une pièce métallique. Dans le domaine de l'aéronautique, notamment, un objectif constant est l'optimisation de la résistance des pièces pour une masse et un encombrement minimaux. Certaines pièces peuvent désormais comporter un insert en matériau composite à matrice métallique, désigné par la suite CMM, la pièce pouvant être par ailleurs monolithique. Un tel matériau composite comporte une matrice d'alliage métallique, par exemple d'alliage de titane Ti, au sein de laquelle s'étendent des fibres, par exemple des fibres céramiques de carbure de silicium SiC. De telles fibres présentent une résistance en traction bien supérieure à celle du titane (typiquement, 4000 MPa contre 1000 MPa). Ce sont donc les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage métallique assurant une fonction de liant avec le reste de la pièce, ainsi que de protection et d'isolation des fibres, qui ne doivent pas entrer en contact les unes avec les autres. En outre, les fibres céramiques sont résistantes à l'érosion, mais doivent nécessairement être renforcées par du métal. Ces matériaux composites peuvent être utilisés dans la fabrication de disques, d'arbres, de corps de vérins, de carters, d'entretoises, comme renforts de pièces monolithiques telles des aubes, etc. Pour des disques de compresseur dans un turboréacteur par exemple une technique connue de renforcement consiste à insérer dans la pièce un bobinage circulaire de fibres enduites. Une technique de fabrication d'insert CMM repose sur le principe de bobinage de fils enduits décrit dans le brevet EP 1.726.677 déposé au nom de Snecma. L'insert est obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique. Ce type de fil est désigné fil enduit par la suite. La fabrication comprend une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits autour d'une pièce de révolution perpendiculairement à l'axe de la pièce. L'insert est ensuite soumis à une étape de compression isostatique à chaud dans un conteneur. On désigne par conteneur une ébauche de pièce métallique dans laquelle on a usiné une cavité de réception de l'insert en matériau CMM et qui est ensuite soumise à un traitement de compaction isostatique à chaud. Ce traitement est désigné CIC par la suite. Les pièces décrites ainsi obtenues sont de type circulaire et conviennent particulièrement, outre les disques de compresseur pour la réalisation de pièces circulaires telles que des arbres, des corps de vérins ou des carters. D'autres pièces mécaniques requièrent des propriétés différentes de celles présentées par les pièces circulaires. C'est le cas notamment des bielles utilisées par exemple dans les systèmes d'atterrissage ou des pièces de structure telles que des suspensions de moteurs, de forme essentiellement oblongue. La fonction de ces pièces est de transmettre un effort de traction et/ou de compression unidirectionnel. Le renforcement de ces pièces nécessite alors des inserts en CMM de forme rectiligne ou sensiblement rectiligne, au moins en partie. En effet les fibres doivent être orientées suivant la direction des efforts. La fabrication de ces inserts de manière industrielle et au moindre coût 20 est délicate. On connaît un procédé de fabrication d'une pièce mécanique comportant au moins un insert en matériau CMM. Le procédé comprend la fabrication d'une ébauche d'insert par bobinage d'un faisceau ou d'une 25 nappe liée de fils enduits autour d'un support annulaire dont une partie comprend une portion rectiligne ou sensiblement rectiligne. Le procédé décrit dans le brevet FR 2.919.284 aux noms de Snecma et Messier-Dowty, développe ce principe et comprend ensuite l'insertion de 30 l'ébauche d'insert ci-dessus dans un premier conteneur métallique, la compaction isostatique à chaud du premier conteneur, suivie de l'usinage de celui-ci pour former un élément d'insert. Après la fabrication de cet élément d'insert, le procédé de fabrication d'une pièce mécanique comprend les étapes suivantes : insertion de l'élément d'insert dans un 35 second conteneur, compaction isostatique à chaud du second conteneur et usinage du second conteneur pour former la pièce mécanique souhaitée. La pièce mécanique ainsi obtenue, par exemple une bielle, permet avantageusement de transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels dans le sens des fibres céramiques qui y 40 ont été intégrées. Au lieu de passer par l'étape intermédiaire de compaction de l'ébauche d'insert suivie de sa découpe en éléments d'insert rectilignes, on pourrait envisager de découper la bobine annulaire formant l'ébauche en assurant le maintien des fils enduits en faisceau. La demande de brevet FR 2.925.896 enseigne d'incorporer ce type de faisceau dans une rainure rectiligne débouchant à ses extrémités. Cette solution présente plusieurs inconvénients qui impactent l'industrialisation de ces opérations : On perd les fils enduits au niveau des parties non droites. Cette perte n'est pas négligeable car le demi-produit fil enduit représente un coût important dans le coût total de la pièce. Le bobinage, notamment sur des formes ovales, induit des contraintes dans l'insert bobiné qui risquent de se relâcher se traduisant 15 par une déformation de l'insert lors de la découpe. Ces techniques nécessitent de multiplier les systèmes de maintien des fils enduits au droit des zones de découpe. Par ailleurs, une technique fondée sur l'enroulement par bobinage d'une 20 nappe de fils enduits préalablement assemblés vise essentiellement la réalisation d'inserts de section transversale, perpendiculaire aux fibres, carrée ou rectangulaire. Pour certaines applications, il serait souhaitable d'avoir un insert de 25 section différente du carré ou du rectangle afin d'améliorer la reprise d'efforts entre l'insert composite et le reste de la structure de la pièce. En effet, des renforts de section par exemple trapézoïdale ou elliptique permettraient d'éviter ou au moins de limiter les sauts de raideur et ainsi d'améliorer la tenue mécanique des zones de transition. 30 Par exemple, pour des pièces allongées telles que des pièces de train d'atterrissage ou des bielles de suspension de moteur comportant des attaches latérales entre leurs extrémités, un renfort dont le nombre de fibres est plus faible le long du bord de la pièce solidaire de l'attache 35 permet une meilleure transition des efforts au niveau de cette dernière. L'objectif de la présente invention est la mise au point d'une technique de réalisation d'inserts à coût réduit et facilement industrialisable. 40 L'invention a également pour objectif une technique de fabrication qui permet la réalisation d'inserts dits de forme c'est-à-dire dont la section transversale peut être différente de la forme carrée ou rectangulaire. On parvient à cet objectif avec un procédé de fabrication d'un insert de forme allongée, destiné à être intégré par CIC dans un conteneur métallique, comprenant des fils enduits liés entre eux, lesdits fils enduits étant formés de fibres céramiques enduites de métal, caractérisé par le fait qu'il consiste à disposer les fils enduits cote à cote en un faisceau et à entraîner le faisceau de fibres à travers un élément conformateur de manière à le rendre compact tout en le mettant en forme avec une section transversale déterminée par l'élément conformateur. De préférence, on forme le faisceau à partir de fils enduits que l'on déroule depuis des bobines de fils. Le faisceau de fibres avant son passage au travers de l'élément conformateur présente des espaces interstitiels résultant de la section circulaire des fils enduits. L'élément conformateur est dimensionné de manière à réduire le foisonnement des fibres et les espaces interstitiels tout en donnant au faisceau la forme souhaitée. On résout ainsi simplement le problème d'industrialisation et mise en forme du faisceau de fibres. La section de passage de l'élément conformateur est choisie librement en fonction de la forme, dans le plan transversal, souhaitée de l'insert. Selon un mode de réalisation, l'élément conformateur comprend au moins deux galets rotatifs, les axes des deux galets étant orientés perpendiculairement à la direction d'avancement des fils enduits. Pour compléter le contour, l'élément conformateur comprend notamment des supports latéraux fixes entre les galets. L'élément conformateur peut aussi comprendre une pluralité de galets constituant le contour de la section de passage. La fonction des galets est de réduire les frottements sur le faisceau de fils enduits en accompagnant son déplacement. Des éléments fixes conviennent aussi dans la mesure où le frottement des fibres est réduit. On peut ainsi former un élément conformateur dont la section de passage est polygonale avec des côtés rectilignes ou courbes ou encore de section ovale ou circulaire. Afin de faciliter le guidage des fibres à l'élément conformateur et ultérieurement leur maintien ensemble dans le faisceau, une feuille métallique, désignée clinquant aussi, est avantageusement interposée entre les fils enduits du faisceau et au moins une partie des côtés de l'élément conformateur. On assure le maintien de l'assemblage des fils enduits par des anneaux ou bagues placés de part en part le long de l'insert en aval de son passage à travers de l'élément conformateur. Les bagues sont formées par exemple d'une feuille métallique avec laquelle on entoure le faisceau de manière serrée et dont on soude les extrémités après les avoir repliées l'une sur l'autre. On tronçonne ensuite le faisceau de fils enduits à la longueur souhaitée correspondant à la longueur de l'insert à placer dans le conteneur métallique. Pour éviter le foisonnement des fils enduits en extrémités de l'insert, rendant difficile la manipulation de celui-ci et sa mise en place dans le conteneur, il est judicieux de scier le faisceau à travers une bague de serrage car les portions de bague obtenues sont placées en extrémité et assurent le serrage du faisceau. Selon une mise en oeuvre du procédé, les fils enduits avant leur regroupement en faisceau sont guidées dans leur déplacement vers l'élément conformateur de manière à former des sous ensembles ou faisceaux élémentaires. Il peut s'agir de nappes que l'on superpose les unes sur les autres pour former ledit faisceau. On forme un faisceau élémentaire en déroulant simultanément les fils enduits du sous ensemble depuis des bobines séparées. Par exemple on peut former ainsi un empilement de nappes de fils enduits rectilignes obtenues en juxtaposant à plat un nombre déterminé de fils enduits, jusqu'à obtenir un nombre de nappes déterminé. Plus particulièrement, on dépose une première nappe sur une surface d'appui, notamment comprenant une feuille métallique, et on recouvre la dernière nappe à travers de l'élément conformateur. Au lieu de nappes, les faisceaux élémentaires peuvent avoir toute forme de section transversale. Selon une autre mise en oeuvre on regroupe les fils enduits en faisceaux élémentaires dans une pluralité de guides, goulottes ou tubes qui sont disposés de manière à converger vers la section de passage de l'élément conformateur. Le procédé de l'invention est une étape d'un procédé de fabrication d'une pièce métallique comprenant l'incorporation de l'insert ainsi réalisé dans un conteneur métallique et la compaction isostatique à chaud de l'ensemble, comme cela est décrit par exemple dans la demande de brevet FR2933422 ou la demande FR2933423 au nom de Messier Dowty. Selon ce type de procédé, - au moins un logement pour un insert est usiné dans un corps métallique formant le conteneur, - ledit insert est disposé dans le logement, - un couvercle métallique est placé sur le corps de façon à recouvrir l'insert, - le couvercle est soudé sur le corps métallique, - l'ensemble du corps métallique avec couvercle est soudé par compression isostatique à chaud et - on usine ledit ensemble traité pour obtenir ladite pièce. La solution de l'invention permet l'incorporation de l'insert dans un conteneur, immédiatement en aval de l'élément conformateur. Par exemple, le conteneur peut comprendre un logement longitudinal traversant dans lequel on vient glisser le faisceau de fils enduits. Dans ce cas il est possible de se passer des bagues de maintien ou même des clinquants longitudinaux. L'invention porte également sur une pièce de forme allongée comprenant au moins un renfort fibreux dans le sens longitudinal, obtenue selon le procédé précédent dont la section transversale du renfort a une forme non rectangulaire ou carrée, telle que trapézoïdale ou ovale. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts détails caractéristiques et avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins La figure 1 montre les différentes étapes la, à 1d de fabrication d'une pièce de forme allongée selon l'art antérieur ; La figure 2 représente une vue de côté d'une installation de fabrication d'un insert rectiligne conforme à l'invention ; La figure 3 montre l'installation de la figure 2, vue de face ; La figure 4 montre un insert fabriqué conformément à l'invention ; La figure 5 montre une variante de filière de forme. Sur la figure la, extraite de la demande de brevet FR 2.919.284 aux noms de Snecma et de Messier-Dowty, on voit un conteneur 1 avec un corps principal 4 de forme allongée, destiné à former une bielle d'un train d'atterrissage par exemple. On a usiné une rainure 41 sur chacune des deux faces du corps 4. Cette rainure permet le logement d'un insert 3 qui comprend deux portions rectilignes parallèles ou non entre elles réunies aux extrémités par une portion en arc de cercle. Les inserts sont du type à fibres céramiques enduites de métal tel que le titane. Les rainures et les inserts sont de formes complémentaires de manière à ce que l'insert soit ajusté sans jeu dans la rainure. On note que la rainure dans le conteneur et le tenon sur le couvercle doivent parfaitement s'assembler pour éviter que les fibres, qui ont un très faible diamètre, de l'ordre de 0,25 mm, ne puissent s'échapper lors de la compaction isostatique à chaud. Deux couvercles 5 sont pourvus d'une partie en saillie formant tenon 51 et viennent recouvrir les faces du corps 4. Le tenon vient en appui sur l'insert logé dans la rainure et colmate cette dernière. On soude, par exemple par faisceau d'électron, le couvercle 5 au corps 4 en assurant le vide à l'intérieur du conteneur. Le conteneur est visible sur la figure 1 b ; il est en partie arraché pour montrer les inserts. Le conteneur est ensuite disposé dans une enceinte appropriée pour y subir un traitement de compaction isostatique à chaud. Ce traitement a pour but de rendre le conteneur, son couvercle et les nappes de fils enduits solidaires entre eux et former une pièce monolithique. La coupe transversale du conteneur de la figure 1c montre que les bords 42 de la rainure 41 sont chanfreinés de manière à ménager un jeu avec la partie du couvercle 5 adjacente au tenon 51. Lors de l'opération de compaction isostatique à chaud, la pression est exercée selon la direction perpendiculaire à la surface du couvercle générant l'affaissement des couvercles. La chaleur et la pression, respectivement de l'ordre de 1000°C et 1000 bars permettent au métal de la matrice de combler les vides entre les fils enduits constituant l'insert. Le volume de l'insert diminue d'environ 23%. Le tenon est ainsi déplacé en direction du fond de la rainure et le jeu de part et d'autre du tenon est absorbé. A la fin du processus, les parties métalliques se sont soudées par diffusion et l'insert de fils enduits s'est compacté; la pièce est ainsi renforcée par les fils enduits emprisonnés dans la masse. La figure Id représente l'ébauche de pièce obtenue avec deux inserts visibles en transparence. L'ébauche est ensuite usinée de manière à obtenir la pièce souhaitée. Les fibres céramiques sont ainsi incorporées dans les zones de la pièce qui assurent la transmission des efforts en traction et compression. Les inserts utilisés selon l'enseignement de ce brevet FR 2 919 283 sont de forme annulaire mais comme cela l'a été décrit dans la demande de brevet FR 2 919 284, ils peuvent être formés d'éléments allongés en barreaux. Dans ce dernier cas les inserts sont incorporés, selon la technique exposée dans ce document, dans le conteneur après avoir été auparavant compactés. La réalisation des inserts rectilignes selon FR 2 919 284 comprend l'enroulement des fils enduits autour d'un dispositif de bobinage de forme annulaire avec des portions rectilignes. La forme peut être oblongue, avec des portions rectilignes, ou bien polygonale dont les côtés du polygone constituent les portions rectilignes. Après formation de l'enroulement du ou des fils enduits en un anneau, les spires de l'anneau sont immobilisées entre elles au moyen de sangles métalliques soudées. L'ensemble est incorporé dans un conteneur et subit un traitement de compaction isostatique à chaud selon la technique décrite ci-dessus. A partir de la pièce semi finie on usine des inserts compacts de forme allongée que l'on incorpore individuellement dans des conteneurs pour la fabrication de pièces avec des renforts en fibres céramiques. Conformément à l'invention, on simplifie la réalisation des inserts en 30 formant des inserts de forme allongée constitués directement de fils enduits 13 assemblés à la manière de fagots ou de faisceaux. En se reportant à la figure 2, un exemple d'installation permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprend un dévidoir 10 supportant 35 une pluralité de rangées de bobines 12 sur lesquelles sont enroulés les fils enduits 13. Les fils enduits sont entraînés depuis leurs bobines respectives dans un système de glissières à goulotte 14 vers lequel ils convergent. Le système rassemble les fils enduits en un faisceau. A ce stade le faisceau est relativement foisonnant. Les fils enduits sont 40 disposés de manière avantageuse en une pluralité de sous ensembles ou couches de fils enduits 13 juxtaposés, parallèles entre eux. Un clinquant ou feuille métallique 16, mince, est disposé sur le fond de l'outillage en forme de gouttière 14. Le métal du clinquant est de préférence le même que celui de la pièce métallique à laquelle l'insert est destiné. Il s'agit par exemple d'un alliage de titane. Les fils enduits reposent sur le clinquant inférieur 16. Ils sont empilés les uns sur les autres par exemple en nappes. La largeur des nappes, le nombre de fils enduits qui constituent les nappes, peut varier depuis la base jusqu'à la nappe supérieure. Par exemple, le faisceau peut avoir une forme trapézoïdale en section. Un clinquant 15 est placé sur le sommet de l'empilement des nappes de fils enduits. Le nombre de fils dans les nappes n'est pas limitatif, il dépend de la pièce à fabriquer, la représentation des figures est simplement indicative, le diamètre des fils n'est pas à la même échelle que celle de la gouttière. Les fils enduits sont juxtaposés dans les nappes sans flottement ou avec un minimum de flottement entre les fils. A ce stade les fils enduits n'ont subi aucune contrainte transversale. Au lieu de nappes on peut disposer les fils en sous ensembles formés de faisceaux élémentaires que l'on réunit en un faisceau unique, 13f. Le faisceau 13f de fils enduits est ainsi guidé à travers l'élément conformateur 17 où il subit une compression transversale. L'élément conformateur comprend ici deux galets 17g à axes horizontaux. Comme on le voit sur la figure 3, les galets sont montés à rotation dans un bâti 17b. L'écartement entre les deux galets peut être ajusté par déplacement vertical de leur support. Des moteurs appropriés éventuellement, non représentés, les entraînent en rotation. Le contour de la section de passage de l'élément conformateur est complété par deux supports fixes, formant des glissières 171, disposés latéralement de part et d'autre du faisceau. Les supports 171 sont solidaires du bâti 17b. Selon cet exemple, ils sont inclinés par rapport à la verticale. Le contour de la section de passage de l'élément conformateur est ainsi trapézoïdal. En passant au travers de l'élément conformateur, le faisceau de fils enduits prend la forme de l'élément conformateur, ici trapézoïdal. En sortie de l'élément conformateur, il est donc nécessaire d'assurer le maintien du faisceau dans la forme donnée. Des petits clinquants 18 formant des sangles sont ensuite mis en place pour maintenir l'ensemble, en faisant le tour du faisceau de fils enduits. Le faisceau est ainsi tiré à travers l'élément conformateur au moyen d'un outil de traction par l'intermédiaire de pinces par exemple. L'insert 13i est représenté fini à la figure 4. On comprend que le présent procédé n'est pas limité à la réalisation d'inserts de section carrée, rectangulaire ou trapézoïdale. De nombreuses formes sont à la portée de l'homme du métier. On peut disposer dans l'élément conformateur une pluralité de rouleaux ou galets autour du faisceau pour lui donner une forme polygonale. Les côtés du polygone peuvent être droits mais ils peuvent aussi être courbes. Il suffit de choisir un profil convenable. La forme et les dimensions transversales de l'élément conformateur peuvent être définies par la géométrie et les dimensions de l'insert que l'on souhaite utiliser. Dans ce cas on détermine le nombre de fils enduits nécessaire pour former l'insert. Inversement on peut avoir besoin d'un insert avec un nombre déterminé de fils enduits. Dans ce cas, on ajuste la section de passage de l'élément conformateur de manière à ce qu'il puisse contenir en sortie le nombre souhaité de fils enduits. Il est avantageux de disposer d'éléments de guidage réglables en position transversalement pour permettre en position rétractée la mise en place du faisceau de fils enduits avant qu'ils ne soient serrés sur le faisceau. Le réglage de l'écartement des galets et des supporte métalliques permet d'ajuster la section de passage et celle de sortie du faisceau de fils enduits. 3o II peut être également avantageux de disposer des éléments vibrants favorisant le tassement des fils enduits dans le faisceau. La figure 5 montre un autre exemple non limitatif de réalisation de l'élément conformateur. Elle est formée de deux galets 17'g d'axes 35 horizontaux et de profil courbe coopérant avec deux galets 17'1 d'axes vertical et de profil droit. Le présent procédé permet également la réalisation d'une pluralité d'inserts simultanément, on découpe les inserts dans la longueur du 40 faisceau ainsi obtenu. L'insert une fois terminé ; tel que celui représenté à la figure 4, est incorporé à un conteneur métallique selon le procédé connu et décrit ci dessus pour former une pièce métallique. Comparativement au mode de réalisation de l'art antérieur illustré par la figure 1, d'une pièce allongée, on réalise des rainures rectilignes dans lesquelles on dispose deux inserts rectilignes par face du conteneur. Pour le reste le procédé est le même. Conformément à un mode de réalisation particulier de la pièce lo métallique, l'un des clinquants est utilisé à la fois comme support et comme couvercle du conteneur métallique dans lequel l'insert est disposé. Le couvercle est soudé sur le conteneur tout en réalisant le vide dans la pièce avant le traitement de compaction isostatique à chaud. Revendications1. Procédé de fabrication d'un insert de forme allongée destiné à être intégré par CIC dans un conteneur métallique, comprenant des fils enduits liés entre eux, lesdits fils enduits étant formés de fibres céramiques enduites de métal, caractérisé par le fait qu'il consiste à disposer les fils enduits (13) côte à côte en un faisceau (13f) et à entraîner le faisceau de fils enduits à travers un élément conformateur (17) de manière à le compacter transversalement tout en le mettant en forme avec une section déterminée. 2. Procédé selon la revendication précédente, l'élément conformateur (17) comprenant au moins deux galets rotatifs (17g) entre lesquels le faisceau est guidé. 3. Procédé selon la revendication précédente, les deux galets étant à axes parallèles. 4. Procédé selon la revendication précédente, l'élément conformateur comprenant deux supports latéraux (171) entre les galets (17g). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes la section de passage de l'élément conformateur (17) étant polygonale avec des côtés rectilignes ou courbes. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, la section de passage de l'élément conformateur étant ovale ou circulaire. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, une feuille métallique (15, 16) étant interposée entre les fils enduits du faisceau et au moins une partie des côtés de l'élément conformateur. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, les fils enduits avant leur regroupement en faisceau étant disposés en faisceaux élémentaires que l'on assemble les uns aux autres pour former ledit faisceau. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, des sangles (18) étant placées de part en part le long de l'insert en aval de l'élément conformateur. 10. Procédé de fabrication d'une pièce métallique comprenant l'incorporation de l'insert formé selon l'une des revendications précédentes dans un conteneur métallique et la compaction s isostatique à chaud de l'ensemble. 11. Pièce de forme allongées comprenant au moins un renfort fibreux dans le sens longitudinal, obtenue selon le procédé de la revendication précédente dont la section transversale du renfort a 10 une forme non rectangulaire, telle que trapézoïdale ou ovale. 15 20 25 30 35 40