Brevet FR3005433A1 — publié le 20141114

Assemblage mécanique à tenue améliorée en fatigue-frottement sous micro-déplacements La présente invention appartient au domaine des assemblages de pièces mécaniques à fortes sollicitations en fatigue. Plus particulièrement l'invention concerne un assemblage mécanique de pièces soumises à des contraintes de fatigue-frottement sous micro-5 déplacements ou "fatigue-fretting". Dans le domaine des assemblages mécaniques, il est fréquent, en particulier pour les assemblages soumis à de fortes sollicitations alternées, soit du fait même des sollicitations appliquées à l'assemblage, soit du fait de niveaux 10 vibratoires intenses, que les surfaces en contact de deux pièces assemblées pour être immobilisées l'une par rapport à l'autre se trouvent soumises à une usure en raison de micro-déplacements des surfaces en contact. Ces micro-déplacements, fréquemment désigné "fretting" suivant la terminologie anglo-saxonne, sont la source bien connue de détériorations des 15 surfaces concernées. En particulier ils sont à l'origine de la dégradation de l'état de surface de pièces et d'amorces de fissures se propageant par le phénomène de fatigue et qui dans les pièces fortement sollicitées, comme c'est généralement le cas dans les pièces de moteurs ou de transmission de puissance mécanique, peuvent 20 conduire à des endommagements irréversibles de certaines pièces et dans les cas extrêmes à des ruptures de pièces. Dans les ensembles mécaniques, le phénomène d'usure se constate souvent dans les zones de contact des liaisons boulonnées et aux interfaces bague de roulement/arbre ou bague de roulement/alésage. 25 Le phénomène concerné sera désigné ici par l'expression "fatigue- fretting". Ainsi les concepteurs de machines doivent tenir compte de ce phénomène pour prendre en considération des durées de vie opérationnelles réduites des pièces qui peuvent être soumises au fatigue-fretting. Diverses méthodes connues permettent également de retarder l'apparition de l'usure de fretting ou de mieux en maîtriser les conséquences. Une méthode consiste à concevoir un assemblage pour limiter les micro- déplacements, par exemple en mettant en oeuvre des matériaux plus rigides. Cette méthode qui retarde l'apparition de l'usure de fretting nécessite de mettre en oeuvre des matériaux généralement denses qui ne sont pas adaptés à toutes les applications, en particulier aux applications du domaine aéronautique. Une autre méthode consiste à limiter les forces de frottement par l'utilisation de revêtements à faibles coefficients de frottement sur les surfaces en contact. Cependant ces revêtements à faibles coefficients de frottement ne sont pas toujours suffisamment endurants vis à vis du nombre de cycles et des efforts 15 appliqués à l'assemblage. Une autre méthode consiste à appliquer des dépôts durs sur la surface des pièces soumises au fretting ou encore à pratiquer des traitements de surface aboutissants à des contraintes de compression résiduelles pour éviter ou retarder la propagation des microfissures prenant naissance lors de l'usure de fretting. 20 De tels traitements de surface s'avèrent cependant complexes d'une manière générale et coûteux à réaliser. Pour améliorer le comportement aux phénomènes de fatigue-fretting, d'un assemblage mécanique comportant au moins deux pièces fixées entre elles, 25 l'assemblage proposé comporte au moins une pièce parmi les au moins deux pièces réalisée dans un matériau comportant une matrice en titane ou en un alliage de titane et comportant des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane dispersées de manière sensiblement homogène au sein de la matrice, au moins dans la zone soumise aux effets du fatigue-fretting, les 30 particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane ayant au moins 0,05 pm dans leurs plus petites dimensions et au plus 30 pm dans leurs plus grandes dimensions. Les particules de céramiques dures et fortement adhérentes à la matrice retardent la formation des microfissures et en limitent la propagation sous l'effet des efforts induits par les micro-déplacements inévitables en raison des sollicitations mécaniques auxquelles est soumis l'assemblage. Dans une forme de réalisation au moins une des pièce est réalisée intégralement dans un matériau comportant une matrice en titane ou en un alliage de titane et comportant des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane. Il est ainsi obtenue une pièce ayant le bénéfice d'une propagation ralentie des microfissures dans toute la pièce. Dans une forme de réalisation, les particules de céramiques de carbure 10 de titane et ou de borure de titane ont des formes d'ensemble sphériques ou faiblement étirées dont les dimensions sont comprises entre 0,1 pm et 10 pm de diamètre moyen, de préférence entre 0,1 pm et 4 pm de diamètre moyen. Dans une autre forme de réalisation, qui peut être combinée à la forme précédente, les particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de 15 titane ont des formes d'ensemble allongées, par exemple des formes d'aiguilles, dont les dimensions moyennes sont comprises entre 1 pm et 20 pm suivant leurs plus grandes dimensions. Des formes allongées peuvent également résulter d'un alignement de particules sensiblement sphériques. 20 Du fait d'interactions fortes entre la matrice et les particules de céramiques, en particulier en cisaillement, des charges internes dans le matériau sont transférées vers les particules de céramiques qui déchargent localement la matrice plus sensible à la microfissuration. Dans une forme de réalisation, la concentration moyenne en masse de 25 particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane est comprise entre 5% et 40%, plus particulièrement entre 5% et 20%, de la masse de la pièce comportant les particules de céramiques dispersées dans la matrice en titane ou en un alliage de titane, au moins dans la zone de la pièce soumise aux effets du fatigue-fretting. Il est ainsi conservé des propriétés d'allongement à 30 la matrice titane tout en apportant à la pièce les améliorations attendues vis à vis du comportement en fatigue-fretting. L'assemblage mécanique obtenu s'avère particulièrement bien adapté aux assemblages dans lesquels les pièces, sollicitées en contraintes alternées ou en vibrations, sont fixées par boulonnage et ou rivetage et ou couplées par un emmanchement comportant par exemple des cannelures. L'assemblage mécanique obtenu s'avère également particulièrement bien 5 adapté aux assemblages formés par une bague de roulement fixée sur un arbre tournant ou formés par une bague de roulement fixée dans un logement de palier. Dans ces deux situations, les bagues de roulement sont soumises à des efforts vibratoires importants qui provoquent des micro-déplacements des bagues par rapport à l'arbre ou logement associé et entraîne l'apparition de fatigue-10 fretting. Un cas particulier d'assemblage mécanique soumis à des efforts importants avec un environnement vibratoire élevé correspond à un moyeu de rotor d'hélicoptère. Dans une forme de réalisation de l'assemblage mécanique, au moins une 15 pièce de l'assemblage est réalisée dans un matériau comportant une matrice en titane ou en un alliage de titane et comportant des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane obtenue suivant un procédé de métallurgie des poudres dans lequel des précurseurs des particules de céramiques ont été mélangés à des poudres de titane ou d'alliage de titane, sous 20 forme de poudres élémentaires et ou préalliées, puis soumis à une consolidation. Ainsi il est obtenu d'une part une répartition sensiblement homogène des particules de céramiques au sein de la matrice, au moins dans la zone soumise au effets du fatigue-fretting, grâce au processus de mélange des poudres, et d'autre part une maîtrise de la forme et des dimensions des particules de 25 céramiques par les formes et dimensions des particules de la poudre des précurseurs et par le contrôle des conditions de traitement thermomécaniques, notamment lors de la phase de consolidation, qui agissent sur la croissance des particules de céramiques. La zone soumise aux effets du fatigue-fretting correspond en pratique à 30 une zone dans laquelle les surfaces des pièces en contact sont soumises aux microdéplacements à l'origine du phénomène et qui s'étend dans la pièce sur une épaisseur dans laquelle des microfissures se propagent sous l'effet de la fatigue induite par les frottements. Dans le cas des pièces mécaniques fortement sollicitées, une telle épaisseur est le plus souvent de l'ordre de lOmm, voire supérieure. En limitant la mise en oeuvre du matériau, comportant une matrice en 5 titane, ou en un alliage de titane, et des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane, à la zone soumise aux effets du fatigue-fretting, il est possible de réaliser d'autres parties de la pièce dans un alliage de titane non renforcé qui apporte à la pièces des caractéristiques ordinaires pour ces alliages. Les précurseurs sont avantageusement des composés à base de titane, 10 de carbone et de bore, tels que du TiB2, et ou du TIC, et ou du B4C, et ou du Bore, et ou du Carbone qui assurent une parfaite compatibilité physicochimique des céramiques obtenues avec la matrice de titane. Par exemple, un mélange de 98% de titane et de 2% de B4C en masse donne, après réaction du précurseur avec la matrice, un matériau comportant 15 8,5% de TiB et 3,9% de TiC0.5 en masse. Dans une application particulièrement avantageuse en raison en particulier du niveau vibratoire élevé, l'assemblage mécanique est par exemple un rotor d'hélicoptère ou un moyeu de rotor d'hélicoptère. 20 Un assemblage mécanique suivant l'invention comporte aux moins deux pièces assemblées. Les deux pièces assemblées sont considérées dans l'assemblage comme immobilisées entre elles, mais, en raison des sollicitations auxquelles sera soumis 25 ledit assemblage, les deux pièces seront soumises à des micro-déplacements relatifs au cours desquels micro-déplacements la surface de chacune des pièces en contact avec l'autre pièce sera soumise à un frottement du fait d'un serrage entre les pièces. Les deux pièces sont par exemple deux pièces boulonnées entre elles ou 30 une bague intérieure de roulement fixée sur un arbre, ou encore une bague extérieure de roulement fixée dans une cage. Dans l'assemblage, au moins une des deux pièces est constituée principalement d'un matériau formé d'une matrice en titane, ou en un alliage de titane, renforcée par des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane. Les particules de céramiques sont réparties dans la matrice de manière à 5 représenter une densité moyenne sensiblement homogène comprise entre 5% et 40% en masse. Les particules de céramiques ont de préférence des dimensions comprises entre 0,1 pm et 10 pm en diamètre lorsque lesdites particules ont des formes d'ensemble sphériques ou faiblement étirées. 10 Les particules de céramiques ont de préférence des dimensions comprises entre 1 pm et 20 pm, pouvant atteindre 30 pm, suivant leur plus grande dimension lorsque lesdites particules ont des formes d'ensemble allongées, par exemple se présentant sous la forme d'aiguilles. Dans ce cas les dimensions transversales des particules allongées 15 peuvent être aussi réduites que 0,05 pm. Il doit être compris ici que les valeurs préconisées de dimensions préférées des particules de céramiques sont des valeurs moyennes et que, en raison des processus de formation des particules de céramiques au sein de la matrice, les dimensions présentent des dispersions pouvant conduire certaines 20 particules de céramiques à présenter des dimensions en dehors des valeurs préférées. Pour autant que le nombre de telles particules reste proportionnellement faible, inférieur à quelques pour cent, leurs effets seront négligeables. 25 La compatibilité des carbures de titane et des borures de titane avec la matrice en titane apporte au matériau de la pièce une stabilité physicochimique essentielle à la réalisation de pièces destinées à l'assemblage mécanique. Dans la pièce de l'assemblage ainsi obtenue, des performances de 30 légèreté et tenue en température de la matrice en titane sont conservées et la présence des particules céramiques dispersées dans la matrice produit une amélioration du module d'élasticité sans que les performances d'allongement du matériau ne s'en trouvent affectées de manière excessive grâce à la concentration limitée en particules de céramique dont les caractéristiques d'allongement sont faibles par rapport au titane. Le comportement de la pièce obtenue vis à vis de l'usure par micro- déplacements et vis à vis des phénomènes de fatigue est ainsi amélioré du fait : - de l'amélioration du module d'élasticité de la pièce qui a pour conséquences de diminuer l'amplitude des micro-déplacements relatifs entre les pièces de l'assemblage ; - du blocage des microfissures par les particules céramiques à un stade où ces microfissures ont une longueur de l'ordre de la dizaine de micromètres ou moins, et ou de la déviation des microfissures par les particules céramiques, blocage et déviation qui ont pour conséquence de ralentir la propagation des criques à partir de la surface soumise à l'usure par micro- déplacements. Un tel résultat est obtenu par le choix des matériaux de la matrice et des particules de céramiques mis en oeuvre et du procédé d'élaboration qui conduit à des interfaces fortes, en particulier en cisaillement, entre la matrice et les particules de céramiques, interface qui assure un transfert efficace des charges entre ladite matrice et lesdites particules de céramiques. Pour obtenir une répartition homogène et des dimensions et formes voulues des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane dans la matrice titane, la pièce de l'assemblage est réalisée dans un 25 matériau obtenu par un procédé de métallurgie des poudres. Dans un tel procédé de métallurgie des poudres, dont les principes sont connus de l'homme du métier, la poudre est une poudre élémentaire de la matrice ou préalliées des composants de l'alliage, et contient des éléments précurseurs de la céramique. 30 Ces éléments précurseurs, par exemple dispersés sous la forme d'une poudre mélangée à la poudre de la matrice, permettant de générer dans la matrice titane les particules de céramiques de carbure de titane TIC et ou de borure de titane TiB, sont des composés comportant du titane, du carbone et du bore, en particulier du TiB2, du TIC, du Be, du Bore, du Carbone. Les particules de céramiques se forment par réaction lors de la consolidation et ou des autres traitements thermo-mécaniques du matériau élaboré à partir des poudres sous pression et température par les techniques connues, par exemple le frittage libre, le frittage sous charge, la fabrication additive, le SPS (Spark Plasma Sintering), la compaction isostatique à chaud, l'extrusion, le forgeage, ... La maîtrise du mélange des poudres permet d'obtenir des densités des particules de céramiques variables en fonction de l'emplacement dans la pièce réalisée. Par exemple la présence de particules de céramiques dans la matrice peut être limitée à certaines zones de la pièce, a priori les zones soumises aux effets du fatigue-fretting. Il est également possible de réaliser des gradients dans la densité des particules de céramiques depuis des zones à densité relativement élevées en particules de céramiques, les zones soumises aux effets du fatiguefretting, et des zones sans particules, ou à densité réduite, en fonction de l'épaisseur dans la pièce. En limitant ainsi la mise en oeuvre du matériau, comportant une matrice en titane, ou en un alliage de titane, et des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane, à la zone de la pièce soumise aux effets du fatigue-fretting, il est possible de réaliser d'autres parties de la pièce dans un alliage de titane conventionnel qui apporte à la pièces des caractéristiques mécaniques de résistance et de rigidité spécifiques. La réalisation d'un gradient dans la densité des particules de céramiques permet d'éviter des transitions trop brusques des caractéristiques, en particulier de rigidité, dans le volume de la pièce. Il est ainsi obtenu un assemblage dans lequel les pièces ont un comportement amélioré vis à vis de l'usure par micro-déplacements et vis à vis des contraintes en fatigue, c'est-à-dire une sensibilité réduite au fatigue-fretting et une durée de vie augmentée par rapport à des alliages de titane conventionnels, avec ou sans traitements de surface, avec des bénéfices équivalents sur la résistance statique et la masse des pièces. Un tel assemblage est par exemple un ensemble mécanique de transmission d'effort soumis à un environnement vibratoire sévère tel qu'un rotor d'hélicoptère ou un moyeu de rotor d'hélicoptère. REVENDICATIONS1 - Assemblage mécanique à comportement amélioré vis à vis du fatiguefretting, résultant de la fatigue combinée à l'usure par micro-déplacements, comportant au moins deux pièces fixées entre elles dans lequel assemblage au moins une pièce parmi les au moins deux pièces est réalisée, au moins dans une zone soumise à des effets du fatigue-fretting, dans un matériau comportant une matrice en titane ou en un alliage de titane et comportant des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane dispersées de manière sensiblement homogène au sein de la matrice, lesdites particules ayant au moins 0,05 pm dans leurs plus petites dimensions et au plus 30 pm dans leurs plus grandes dimensions. 2 - Assemblage mécanique suivant la revendication 1 dans lequel au moins une pièce parmi les au moins deux pièces est réalisée entièrement dans un matériau comportant une matrice en titane ou en un alliage de titane et comportant des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane. 3 - Assemblage mécanique suivant la revendication 1 ou 2 dans lequel toute ou partie des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane ont des formes d'ensemble sphériques ou faiblement étirées dont les dimensions sont comprises entre 0,1 pm et 10 pm, plus particulièrement entre 0,1 pm et 4 pm, de diamètre moyen. 4 - Assemblage mécanique suivant l'une des revendications précédentes dans lequel toute ou partie des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane ont des formes d'ensemble allongées, par exemple des formes d'aiguilles, dont les dimensions sont comprises entre 1 pm et 20 pm suivant leurs plus grandes dimensions moyennes. 5 - Assemblage mécanique suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la concentration moyenne en masse de particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane, au moins dans une zone soumise à des effets du fatigue-fretting, est comprise entre 5% et 40%, plus particulièrement comprise entre 5% et 20%, de la masse de la pièce comportant lesdites particules de céramiques répartie dans la matrice en titane ou en un alliage de titane. 6 - Assemblage mécanique suivant l'une des revendications précédentes dans lequel les au moins deux pièces sont fixées par un boulonnage, par un rivetage, ou par un emmanchement, par exemple un emmanchement comportant des cannelures. 7 - Assemblage mécanique suivant l'une des revendications précédentes dans lequel l'une des au moins deux pièces de l'assemblage est une bague d'un roulement et l'autre des au moins deux pièces est un arbre sur lequel est fixé ladite bague ou est un logement dans lequel est fixée ladite bague. 8 - Assemblage mécanique suivant l'une des revendications précédentes dans lequel l'au moins une pièce réalisée dans un matériau comportant une matrice en titane ou en un alliage de titane et comportant des particules de céramiques de carbure de titane et ou de borure de titane est réalisée suivant un procédé de métallurgie des poudres dans lequel des précurseurs des particules de céramiques ont été mélangés à des poudres de titane ou d'alliage de titane, sous forme de poudres élémentaires et ou préalliées, puis soumis à une consolidation. 9 - Assemblage suivant la revendication 8 dans lequel les précurseurs sont des composés à base de titane, de carbone et de bore, tels que du TiB2, et ou du TIC, et ou du B4C, et ou du Bore, et ou du Carbone. 10 - Rotor d'hélicoptère comportant au moins un assemblage mécaniqueconforme à l'une des revendications précédentes. 11 - Moyeu de rotor d'hélicoptère comportant au moins un assemblage mécanique conforme à l'une des revendications 1 à 9.5