Brevet FR2978075A1 — publié le 20130125

La présente invention concerne un procédé d'assemblage de coques en métal. Certaines pièces sont réalisées en alliage de titane à cause des propriétés particulières de ces alliages, en particulier de tenue mécanique, de tenue en température, et de tenue à la corrosion pour une densité moindre que celle d'un acier ou que celle d'un autre alliage comme ceux à base de Nickel ou à base de Cobalt. C'est notamment le cas de pièces aéronautiques, par exemple de pièces de turbomachines telles que des carters de compresseur haute pression. Dans ce cas la pièce en titane est une coque. Dans la description qui suit, on entend par coque une pièce dont une des trois dimensions (son épaisseur) dans l'espace est faible (au moins cinq fois plus faible) par rapport aux deux autres dimensions (sa longueur et sa largeur) perpendiculaires à cette épaisseur. Une coque englobe ainsi une plaque, un tube, une virole, un carter. Le terme titane est utilisé ci-après pour signifier un alliage où le titane est l'élément majoritaire. Une telle pièce en titane doit être capable de résister au feu titane, c'est-à-dire une inflammation catastrophique du titane en cas d'élévation brutale de température. Diverses solutions sont actuellement employées afin d'empêcher une telle inflammation du titane d'une pièce qui est utilisée dans un environnement haute température. Ces solutions consistent toutes à fixer sur la pièce en titane une pièce en un autre alliage (c'est-à-dire un alliage autre qu'un alliage en titane), cette pièce en un autre alliage étant destinée à être exposée aux températures plus élevées et formant écran entre ces températures élevées et la pièce en titane. Une solution consiste à fixer à l'aide de douilles une coque en un autre alliage (acier, superalliage base nickel ou cobalt, ou autre alliage) sur la surface de la pièce en titane qui est exposée aux températures les plus élevées. Une autre solution consiste à effectuer un colaminage à chaud d'une ébauche en un autre alliage sur l'ébauche en titane. Encore une autre solution consiste à plaquer une coque en un autre alliage sur la coque en titane, par plaquage hydraulique ou par plaquage par explosion. Toutes ces solutions présentes cependant des inconvénients. D'une part il est difficile de maîtriser la position exacte de l'interface entre la pièce en titane et la pièce en un autre alliage. De plus, selon les tolérances de mise en oeuvre, des tolérances d'usinage et des stratégies d'usinage, l'épaisseur d'une ou de l'autre partie n'est pas toujours optimisée. Par exemple, il est souvent impossible que cette interface suive la forme définitive tout au long de la pièce au plus près des côtes lorsque la géométrie de la pièce en titane est en trois dimensions. Il est en outre impossible de maîtriser le ratio d'épaisseur entre les deux matériaux (aux tolérances près). De plus, lorsque l'un des procédés ci-dessus est utilisé, la résistance au cisaillement ou au décollement entre la pièce en titane et la pièce en un autre alliage est assez faible. Cette résistance au cisaillement est d'autant plus faible que la différence entre les coefficients de dilatation du titane et de l'autre alliage est importante. Chacun des procédés ci-dessus sont d'un coût élevé du fait de la complexité et du nombre d'étapes dans le procédé, et de la nécessité d'usiner l'ensemble formé de la pièce en titane et de la pièce en un autre alliage après leur assemblage de façon à mettre cet ensemble aux côtes finales. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un procédé d'assemblage de coques en métal qui permette d'assembler une coque en titane et une coque en un alliage résistant au feu titane de façon efficace et à moindre coût. Ce but est atteint grâce au fait que ce procédé comporte les étapes suivantes : (a) On fournit une première coque en un alliage résistant au feu titane dans une forme proche de sa forme définitive, cette première coque présentant une première face et une deuxième face opposée à la première face, (b) On fournit au moins une deuxième coque en alliage de titane, cette deuxième coque présentant une première face et une deuxième face opposée à la première face, (c) On place la première face de la deuxième coque sur la deuxième face de la première coque, (d) On maintient la première coque à une température inférieure à une première température T1, (e) On chauffe ladite deuxième coque à une température supérieure à une deuxième température T2 supérieure à la première température T1, (f) on déforme superplastiquement à cette deuxième température T2 la deuxième coque sur la première coque, de telle sorte que la première face 21 de la deuxième coque épouse la deuxième face 12 de la première coque, la deuxième coque étant ainsi solidarisée avec la première coque, (g) on refroidit jusqu'à température ambiante l'ensemble formé de la première coque et de la deuxième coque. Grâce à ces dispositions, l'ensemble constitué des deux coques en métal assemblées selon le procédé de l'invention, tout en étant résistant au feu titane, présente une meilleure précision dimensionnelle car la coque en alliage résistant au feu titane a été maintenue à une température T1 inférieure à la température T2 de déformation superplastique de l'alliage de titane, et s'est donc peu déformée. Ainsi, moins d'usinage ultérieur et en particulier moins d'usinage de l'alliage de titane est nécessaire par rapport aux procédés selon l'art antérieur, et par conséquent le coût de fabrication est moindre. De plus, cet ensemble présente une meilleure résistance au cisaillement car du fait de la déformation superplastique, l'alliage de titane se répartit mieux dans tous les interstices de la coque en alliage résistant au feu titane et épouse mieux sa forme. Avantageusement la première face de la première coque repose sur un noyau rigide avec lequel elle est en contact. Ainsi, la déformation de la première coque durant la déformation superplastique est minimisée, ce qui permet de faire en sorte que l'ensemble constitué des deux coques en métal est encore plus proche de la forme finale voulue de cet ensemble. Ainsi, encore moins d'usinage ultérieur et en particulier moins d'usinage de l'alliage de titane est nécessaire par rapport aux procédés selon l'art antérieur, et par conséquent le coût de fabrication est encore minimisé. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1A est une vue en perspective d'une première coque et d'une deuxième coque avant assemblage par le procédé selon l'invention, la figure 1B est une vue en perspective d'une première coque et d'une deuxième coque après assemblage par le procédé selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe de la première coque et de la deuxième coque selon le plan II-II de la figure 1B, la figure 3 est une vue en perspective d'une première coque et d'une deuxième coque avant assemblage par une variante du procédé selon l'invention. Dans le procédé selon l'invention, on fournit une première coque 10 en un alliage résistant au feu titane. Cet alliage est par exemple un acier, ou un alliage de type INCO 909 15 ou INCO 783. Cette première coque 10 est obtenue par exemple par forgeage d'un lopin ou par emboutissage d'une tôle. Eventuellement, la coque ainsi formée subit ensuite un usinage pour être transformée en cette première coque 10, de façon que cette première coque 10 soit dans une forme 20 proche de sa forme définitive. On entend par coque une pièce dont une des trois dimensions (son épaisseur) dans l'espace est faible (au moins cinq fois plus faible) par rapport aux deux autres dimensions (sa longueur et sa largeur) perpendiculaires à cette épaisseur. 25 Ainsi, comme représenté en figure 1A, la première coque 10 présente une surface médiane dans l'espace en trois dimensions. La première coque 10 présente une première face 11 et une deuxième face 12 opposée à cette première face 11 de telle sorte que ces deux faces sont situées de part et d'autre de cette surface médiane. 30 La longueur et la largeur de la première coque 10 sont mesurées le long de cette surface médiane. L'épaisseur de la première coque 10 en un point M de cette coque est mesurée selon une direction perpendiculaire à cette surface médiane passant par ce point M, et est égale à la distance entre la première face 35 11 et la deuxième face 12. On fournit également une deuxième coque 20, qui est en titane. Le terme titane est utilisé ci-après pour signifier un alliage où le titane est l'élément majoritaire, ainsi les termes « titane » ou « alliage de titane » désignent à la fois du titane quasi-pur ou un alliage de titane. Ce titane est par exemple du TA6V ou du Ti 6242. La deuxième coque 20 est définie de façon similaire à la première coque 10, et présente une première face 21 et une deuxième face 22 opposée à cette première face 21, de part et d'autre de la surface médiane de la deuxième coque 20. Comme représenté en figure 1A, on place la première face 21 de la deuxième coque 20 sur la deuxième face 12 de la première coque 10 (étape (c)). Les premières faces sont la face concave de chacune de ces coques, les deuxièmes faces sont la face convexe de chacune de ces coques. Puis on maintient la première coque 10 à une température inférieure à une première température T1 (étape (d)), c'est-à-dire que le point le plus chaud de la première coque 10 est à une température inférieure à la première température T1. Cette première température Ti est avantageusement une température à laquelle l'alliage résistant au feu titane ne se déforme pas superplastiquement et se déforme peu. Par exemple, à la première température T1, le taux de déformation de l'alliage résistant au feu titane est inférieur à 1% quand T1 est inférieur à 50°C, inférieur à 3% quand T1 est inférieur à 600°C ou inférieur à 10% quand Ti est inférieur à 950°C. Avantageusement, on effectue au préalable un calcul de simulation des déformations plastiques de l'alliage de titane pour aider à la mise au point de la gamme de fabrication en fonction des côtes finales désirées pour la deuxième coque 20. Par exemple, cette première température T1 est inférieure à 200°C. Par exemple, cette première température T1 est égale à la température ambiante, dans ce cas la première coque 10 doit être refroidie durant la déformation superplastique de la deuxième coque 20. Ce refroidissement est par exemple obtenu en faisant circuler dans un circuit à l'intérieur de la première coque 10 le long de sa première face 11 un fluide à une température inférieure à la première température Ti. On chauffe ensuite la deuxième coque 20 à une température supérieure à une deuxième température T2 qui est supérieure à la première température Tl (étape (e)), c'est-à-dire que le point le plus froid de la deuxième coque est à une température supérieure à la deuxième température T2. Avantageusement, l'alliage résistant au feu titane est choisi de telle sorte que ses contraintes d'écoulement à la première température Ti sont nettement supérieures à celle de l'alliage de titane à cette deuxième température T2. Par « nettement supérieures », on entend au moins supérieures à deux fois. Ainsi, le fait que la première coque 10 ne se déforme que très faiblement durant le procédé selon l'invention contribue à faire en sorte que l'on obtient un ensemble formé de la première coque 10 et de la deuxième coque 20 qui est au plus près de ses dimensions et de sa forme finales, ce qui minimise ou évite un usinage ultérieur de cet ensemble. Les étapes (c), (d), et (e) ci-dessus sont effectuées dans cet ordre. Alternativement, on peut d'abord maintenir la première coque 10 à une température inférieure à la première température T1 (étape (d)) et/ou chauffer la deuxième coque 20 à une température supérieure à une deuxième température T2 (étape (e)), puis placer la deuxième coque 20 sur la première coque 10 (étape (c)). On déforme superplastiquement à cette deuxième température T2 la deuxième coque 20 sur la première coque 10, de telle sorte que cette première face 21 de la deuxième coque 20 épouse la deuxième face 12 de la première coque 10 (étape (f)), comme représenté en figure 1B. La deuxième coque (20) est ainsi solidarisée avec la première coque (10). Cette solidarisation a pour conséquence que les deux coques forment alors un ensemble monobloc. La solidarisation entre les deux coques résulte d'une liaison mécanique par accrochages de micro- aspérités présentes sur la première face 21 de la deuxième coque 20 et sur la deuxième face 12 de la première coque 10. On refroidit ensuite jusqu'à température ambiante l'ensemble formé de ladite première coque 10 et de ladite deuxième coque 20 (étape (g)). La déformation superplastique de la deuxième coque 20 en titane s'effectue par exemple en utilisant une ou plusieurs matrices qui sont placées sur la deuxième face 22 de la deuxième coque 20 et sont déplacées pour déformer la deuxième coque 20 et la plaquer contre la première coque 10. Le fait de déformer la deuxième coque 20 de façon superplastique permet à cette deuxième coque 20 de mieux épouser toutes les formes de ces matrices, et ainsi d'obtenir la répartition voulue de l'épaisseur sur toute la surface de cette deuxième coque 20, et donc d'être encore plus près des côtes désirées. Le domaine de superplasticité des alliages de titane est optimal quand la microstructure est biphasée alpha et béta et quand la taille de grains de ces alliages est la plus faible possible. La deuxième température T2 se situe donc idéalement dans un intervalle de température où ces conditions sont réunies. Ainsi, la deuxième température T2 est inférieure à la température frontière Tb qui est la température au-dessus de laquelle l'alliage de titane a une microstructure R. Ainsi, la deuxième température T2 est alors suffisamment basse pour qu'il ne se produise pas de réaction chimique à l'interface entre l'alliage de titane et l'alliage résistant au feu titane. En conséquence il ne se forme pas de phase fragilisante à cette interface, et la solidarisation entre la première coque 10 et la deuxième coque 20 est alors meilleure. Par exemple, pour l'alliage de titane TA6V, cette température frontière Tb est environ égale à 1050°C. La deuxième température T2 ne doit pas être trop basse, car plus la température à laquelle le titane est déformé est basse, plus sa déformation est difficile (une presse plus puissante est nécessaire). Par exemple, la deuxième température T2 est supérieure à 500°C. Avantageusement, la deuxième température T2 est supérieure à 700°C. Idéalement, la deuxième température T2 est de l'ordre de 900°C. Avantageusement, on chauffe les matrices qui déforment la deuxième coque 20 de telle sorte que le titane reste à la température T2 durant sa déformation superplastique. Les essais effectués par les inventeurs montrent que la vitesse de déformation à utiliser pour la déformation superplastique du titane est de préférence comprise en 10-1 s-1 et 10-5 s-1. Idéalement, cette vitesse de déformation est de l'ordre de 10-3 s-1. Grâce à la déformation superplastique de la deuxième coque 20, le plaquage de cette deuxième coque 20 sur la deuxième face 12 de la première coque 10 est optimal, même dans les zones de cette deuxième face 12 qui présentent des usinages (tel que des perçages), ou dont le rayon de courbure est faible (c'est-à-dire à l'épaisseur de cette première coque 10). Avantageusement, en utilisation, l'écart Da entre le coefficient de dilatation du titane de la deuxième coque 20 et le coefficient de dilatation de l'alliage de la première coque 10 est inférieur à 3.10-6/°C. Ainsi, pour une variation de température extérieure d'une amplitude donnée, les contraintes générées à l'interface entre ces deux coques sont moins élevées. En conséquence, la résistance au cisaillement de l'ensemble constitué de ces deux coques est plus élevée. En variante, la première coque 10 présente à l'étape (a), sur sa deuxième face 12, des reliefs sur lesquels l'alliage de titane est apte à s'écouler superplastiquement, de telle sorte que ces reliefs agissent comme des points d'ancrage 19 de la deuxième coque 20 avec la première coque 10. En s'écoulant superplastiquement, l'alliage de titane est apte à épouser ces reliefs, qui peuvent donc agir comme points d'ancrage 19. Par exemple, ces reliefs sont des dépressions dans la deuxième face 12 de la première coque 10. Alternativement, ces reliefs sont des protubérances. Ces protubérances ont par exemple la forme de crochets. Ces reliefs peuvent également être un mélange de dépressions et de protubérances. La figure 2 est une vue en coupe de la première coque 10 et de la deuxième coque 20 après leur assemblage, qui montrent ces reliefs. Ces points d'ancrages 19 contribuent ainsi à une meilleure solidarisation entre la première coque 10 et la deuxième coque 20, et par conséquent contribuent à augmenter la résistance au cisaillement de l'ensemble constitué de ces deux coques. Cette variante peut notamment être utilisée lorsque l'écart àa, entre les coefficients de dilatation du titane de la deuxième coque 20 et de l'alliage de la première coque 10 est supérieur à 3.10-6/°C. Après la déformation superplastique de la deuxième coque 20 (étape (f)), on peut effectuer dans certains cas un traitement thermique avec usinage afin de donner à l'ensemble constitué de la première coque 10 et la deuxième coque 20 sa forme finale. En variante, comme représenté en figure 3, avant l'étape (c), la première face 11 de la première coque 10 repose sur un noyau 30 avec lequel elle est en contact. Le noyau 30 épouse sensiblement la première face 11 de la première coque 10, et la surface du noyau 30 au contact de cette première face 11 présente une forme au plus des côtes finales désirées de la première coque 10. Ainsi, durant le procédé selon l'invention, la déformation de la première coque 10 est alors minimisée car cette première coque 10 est restreinte dans ses déformations par le noyau 30. Avantageusement le noyau 30 est maintenu à une température inférieure à la première température T1 de telle sorte qu'il est plus aisé de maintenir la première coque 10 à cette température inférieure à la première température T1 durant le forgeage superplastique de la deuxième coque 20, ce qui confère plus de rigidité au noyau 30. Avantageusement, le noyau 30 possède un système de chauffage et/ou de refroidissement afin d'être maintenu à cette température inférieure à la première température T1. Par exemple, le noyau 30 possède un système de circulation interne de liquide. La deuxième coque 20 est une coque unique ou un ensemble de plusieurs coques. Les premières faces sont la face concave (respectivement convexe) de chacune de ces coques, les deuxièmes faces sont la face convexe (respectivement concave) de chacune de ces coques. Dans un cas particulier, la première coque 10 et la deuxième coque 20 sont une virole, par exemple en forme de tube ou de cône. Les premières faces sont alors la face concave de chacune de ces coques, les deuxièmes faces sont la face convexe de chacune de ces coques. Dans ce cas la première coque 10 peut subir, avant l'étape (a), un pré-laminage ou pré-forgeage pour être formée en une virole. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage de coques en métal caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : (a) On fournit une première coque (10) en un alliage résistant au feu titane dans une forme proche de sa forme définitive, cette première coque (10) présentant une première face (11) et une deuxième face (12) opposée à ladite première face (11), (b) On fournit au moins une deuxième coque (20) en alliage de titane, cette deuxième coque (20) présentant une première face (21) et une deuxième face (22) opposée à ladite première face (21), (c) On place ladite première face (21) de la deuxième coque (20) sur ladite deuxième face (12) de la première coque (10), (d) On maintient ladite première coque (10) à une température inférieure à une première température T1, (e) On chauffe ladite deuxième coque (20) à une température supérieure à une deuxième température T2 supérieure à ladite première température T1, (f) On déforme superplastiquement à cette deuxième température T2 ladite deuxième coque (20) sur ladite première coque (10), de telle sorte que ladite première face (21) de la deuxième coque (20) épouse ladite deuxième face (12) de la première coque (10), ladite deuxième coque (20) étant ainsi solidarisée avec ladite première coque (10), (g) On refroidit jusqu'à température ambiante l'ensemble formé de ladite première coque (10) et de ladite deuxième coque (20). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite température T1 est inférieure à 200°C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite deuxième température T2 est inférieure à la température Tb, ladite température Tb étant la température au-dessus de laquelle l'alliage de titane a une microstructure R. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite deuxième température T2 est supérieure à 500°C. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que, avant l'étape (c), la première face (11) de lapremière coque (10) repose sur un noyau rigide (30) avec lequel elle est en contact. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ladite première coque (10) présente à l'étape (a), sur sa dite deuxième face (12), des reliefs sur lesquels ledit alliage de titane est apte à s'écouler superplastiquement, de telle sorte que ces reliefs agissent comme des points d'ancrage (19) de ladite deuxième coque (20) avec ladite première coque (10). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'écart Aa entre le coefficient de dilatation du titane de la deuxième coque 20 et le coefficient de dilatation de l'alliage de la première coque 10 est inférieur à 3.10-6/°C. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la déformation superplastique de ladite deuxième coque (20) en titane s'effectue en utilisant au moins une matrice qui est placée sur ladite deuxième face (22) de la deuxième coque (20) et est déplacée pour déformer ladite deuxième coque (20) et la plaquer contre ladite première coque (10).