Brevet FR3114625A1 — publié le 20220401

L’invention se rapporte à un assemblage (10) comprenant une première pièce (11) en matériau composite à matrice céramique, une deuxième pièce (12) métallique et un élément de liaison (14) métallique. La première pièce (11) est conformée de manière à déporter transversalement l’effort de serrage appliqué sur une première région (Q1) de la première pièce (11) vers une deuxième région (Q2) de la première pièce (11), la deuxième région (Q2) étant en outre décalée par rapport à la région centrale (Q1) le long d’une direction de serrage (X1). Une telle géométrie permet de compenser les dilatations thermiques différentielles et de réduire les pertes de serrage lors de changements de température. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Assemblage avec compensation géométrique de dilatations thermiques différentielles L’invention se rapporte au domaine de l’assemblage de pièces du type assemblage boulonné, notamment pour un ensemble propulsif d’aéronef. L’invention présente un intérêt particulier lorsqu’une pièce de l’assemblage a un coefficient de dilatation thermique différent de celui d’une autre pièce de l’assemblage. État de la technique antérieure Un ensemble propulsif d’aéronef comprend de nombreuses pièces reliées les unes aux autres par des éléments de liaison tels que des boulons. Certains assemblages sont exposés à des gaz chauds de combustion ou de post-combustion entraînant une dilatation thermique des pièces. Dans un ensemble propulsif contemporain, de nombreuses pièces sont réalisées en matériau composite à matrice céramique ci-après désigné par l’expression « matériau CMC » ou « CMC ». Un CMC est un composite thermostructural capable de résister à des contraintes thermiques relativement élevées et ayant une masse volumique relativement faible, en particulier inférieure à celle de matériaux métalliques traditionnels. Certains assemblages boulonnés comprennent une pièce en CMC et une pièce métallique dont le coefficient de dilatation thermique est généralement supérieur à celui du CMC. Sous contrainte thermique, la dilatation thermique différentielle d’un tel assemblage est susceptible d’entraîner une perte de serrage. Une solution conventionnelle permettant de compenser les dilatations thermiques différentielles consiste à équiper l’assemblage d’organes de compensation thermique tels que des rondelles élastiques, connues sous la dénomination « rondelles Belleville », ou des entretoises réalisées dans un matériau à coefficient de dilatation thermique élevé. De tels organes de compensation thermique augmentent la masse de l’assemblage, ce qui limite l’intérêt du CMC, et leur mise en œuvre est relativement complexe. En effet, leur dimensionnement nécessite de tenir compte de la combinaison de plusieurs facteurs tels que la géométrie des pièces de l’assemblage et le coefficient de dilatation thermique respectif de chacune des pièces, cela en fonction des températures d’utilisation effectives. De plus, les rondelles élastiques tendent à perdre leur retour élastique à haute température, ce qui limite leur intérêt ou interdit leur utilisation dans certaines parties de l’ensemble propulsif, par exemple au sein d’un assemblage directement exposé à des gaz chauds de combustion ou de post-combustion. Un but de l’invention est de procurer un assemblage mixte, c’est-à-dire comprenant des pièces ayant différents coefficients de dilatation thermique, capable de réduire les pertes de serrage tout en simplifiant le dimensionnement et en réduisant la masse de l’assemblage. A cet effet, l’invention a pour objet un assemblage comprenant une première pièce, une deuxième pièce et au moins un élément de liaison des première et deuxième pièces l’une avec l’autre, la première pièce ayant une surface interne et une surface externe opposée l’une par rapport à l’autre selon une direction de serrage, la deuxième pièce et l’élément de liaison ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la première pièce, l’élément de liaison étant solidaire de la deuxième pièce selon la direction de serrage et comprenant une surface de butée en appui sur la surface externe de la première pièce de manière à exercer un effort de plaquage de la première pièce sur la deuxième pièce selon la direction de serrage, la première pièce comprenant une première portion et une deuxième portion décalées l’une par rapport à l’autre le long d’une direction orthogonale à la direction de serrage. Selon l’invention, la surface de butée de l’élément de liaison est en appui sur la surface externe de la première pièce dans la première portion, la surface interne de la première pièce est en appui dans la deuxième portion sur la deuxième pièce ou sur une troisième pièce interposée entre la première et la deuxième pièces de sorte que l’effort de plaquage soit transmis à la deuxième pièce par la deuxième portion de la première pièce, et, par rapport à la deuxième portion de la première pièce, la première portion est décalée vers la deuxième pièce selon la direction de serrage. Un tel décalage permet de réduire les pertes de serrage par simple compensation géométrique de la dilatation thermique différentielle des pièces de l’assemblage, sans nécessiter la mise en place d’un organe de compensation thermique. L’invention permet ainsi de supprimer les inconvénients associés aux organes de compensation thermique et de réduire la masse de l’assemblage. Notamment, l’invention permet de supprimer les difficultés de dimensionnement de tels organes de compensation thermique et de procurer un assemblage dont la limite de température d’utilisation est indépendante des moyens de compensation thermique mis en œuvre. Dans un mode de réalisation, la première pièce est conformée de sorte que sa surface externe dans la première portion et sa surface interne dans la deuxième portion définissent entre elles une distance selon la direction de serrage qui est inférieure à une épaisseur de la première pièce. De préférence, la distance précitée est nulle. Une distance nulle entre la surface externe de la première pièce dans la première portion et sa surface interne dans la deuxième portion est particulièrement adaptée lorsque les coefficients de dilatation thermique de l’élément de liaison, de la deuxième pièce, et le cas échant de la troisième pièce, respectivement, sont identiques et que la température augmente de manière homogène au sein de l’assemblage. En effet, dans de telles conditions, l’effort de plaquage transmis de la première à la deuxième pièce, éventuellement par l’intermédiaire de la troisième pièce, est constante quelle que soit l’épaisseur relative de la première pièce. Bien entendu, la nullité de ladite distance peut être utile dans d’autres conditions dans lesquelles les coefficients de dilatation thermique de l’élément de liaison, de la deuxième pièce et/ou de la troisième pièce sont différents l’un par rapport à l’autre et/ou dans lesquelles la température n’augmente pas de manière homogène au sein de l’assemblage, par exemple en raison d’une inertie thermique tendant à retarder le réchauffement de l’élément de liaison. Plus généralement, la distance entre la surface externe de la première pièce dans la première portion et sa surface interne dans la deuxième portion peut être déterminée en fonction des propriétés des pièces de l’assemblage, en particulier des coefficients de dilatation thermique des différents éléments de l’assemblage et du gradient thermique au sein de l’assemblage. Pour conserver un serrage identique lors des changements de température, il peut ainsi s’avérer souhaitable de donner à la distance précitée une valeur non nulle. Dans un mode de réalisation, la première pièce comprend une portion de liaison incurvée reliant l’une à l’autre lesdites première et deuxième portions. Il est préféré que l’élément de liaison comprenne une vis et/ou un écrou, la vis ou l’écrou formant ladite surface de butée. Selon une première variante de réalisation, l’élément de liaison comprend une vis et un écrou, l’un parmi la vis et l’écrou formant ladite surface de butée, l’autre parmi la vis et l’écrou formant une surface de contrebutée en appui sur une surface externe de la deuxième pièce. Selon une deuxième variante de réalisation, l’élément de liaison comprend une vis vissée dans la deuxième pièce et/ou dans la troisième pièce, la vis formant ladite surface de butée. Alternativement, l’élément de liaison peut aussi comprendre un rivet ou un autre organe de liaison. Dans un mode de réalisation, le coefficient de dilatation thermique de la deuxième pièce est identique ou proche de celui de l’élément de liaison. Dans un mode de réalisation, la première pièce comprend un matériau composite à matrice céramique, la deuxième pièce et l’élément de liaison étant métalliques. Dans un mode de réalisation, la première pièce et la deuxième pièce forment chacune une plaque. Dans un mode de réalisation dans lequel l’assemblage comprend ladite troisième pièce, la troisième pièce comprenant au moins un bras de transmission d’effort enserré entre une surface interne de la deuxième pièce et la surface interne de la deuxième portion de la première pièce. L’invention concerne aussi un ensemble propulsif pour aéronef comprenant un assemblage tel que défini ci-dessus. Selon un autre aspect, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un assemblage tel que défini ci-dessus. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de soyage d’une plaque de manière à former la première pièce. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui suit. La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue schématique en coupe axiale d’un ensemble propulsif équipé d’une chambre de post-combustion ; est une vue schématique en coupe d’un assemblage conforme à l’invention ; est une vue schématique d’une partie de pièce de l’assemblage de la figure 2 dans deux états de dilatation thermique. Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 montre un ensemble propulsif 1 pour avion supersonique. L’ensemble propulsif 1 présente un axe central longitudinal A1 et comprend, le long de cet axe A1, une partie amont P1 et une partie aval P2. La partie amont P1 forme un turboréacteur comprenant dans cet exemple un compresseur 2, une chambre de combustion 3 et une turbine 4. La partie aval P2 forme une chambre de post-combustion 5 permettant d’augmenter la poussée générée par le turboréacteur. De manière connue en soi, la chambre de post-combustion 5 comporte une tuyère aval 6 à géométrie variable pourvue d’une alternance de volets commandés et de volets suiveurs destinés à obturer des interstices entre les volets commandés. Il est représenté sur la figure 2 un assemblage 10 comprenant une première pièce 11, une deuxième pièce 12, une troisième pièce 13 interposée entre la première et la deuxième pièces et un élément de liaison 14 reliant ces pièces les unes aux autres. Dans cet exemple, l’assemblage 10 est une partie d’un volet suiveur de l’ensemble propulsif 1 de la figure 1. Plus précisément, la première pièce 11 forme un secteur d’obturation du volet suiveur, en matériau CMC, tandis que la deuxième pièce 12 est une pièce métallique configurée pour articuler le volet sur une partie fixe de la tuyère 6. L’invention vise à compenser les dilatations thermiques différentielles de l’assemblage 10 de manière géométrique. Le principe de compensation géométrique décrit ci-après en référence à la figure 2 s’applique à tout autre assemblage 10 dont la première pièce 11 et la deuxième pièce 12 présentent des coefficients de dilatation thermique différents l’un de l’autre. Notamment, l’assemblage de l’invention peut être mis en œuvre dans d’autres parties de l’ensemble propulsif 1 de la figure 1, ou au sein d’autres types d’ensembles propulsifs pour aéronef, ou encore dans des dispositifs destinés ou non au secteur aéronautique. La figure 2 comprend un référentiel X1, X2 et X3 définissant respectivement une direction de serrage, une première direction transversale et une deuxième direction transversale orthogonales entre elles. Dans cet exemple, la partie de l’assemblage 10 visible sur la figure 2 présente un axe de symétrie A2 parallèle à la direction de serrage X1. La première pièce 11 et la deuxième pièce 12 de la figure 2 sont chacune formées à partir d’une plaque. La première pièce 11 comprend une surface interne 20 et une surface externe 21 opposées l’une par rapport à l’autre selon la direction de serrage X1 et définissant une épaisseur B1 de la première pièce 11. De même, la deuxième pièce 12 comprend une surface interne 22 et une surface externe 23 opposées l’une par rapport à l’autre selon la direction de serrage X1 et définissant une épaisseur B2 de la deuxième pièce 12. La première pièce 11 définit une surface fictive médiane, située à équidistance des surfaces interne 20 et externe 21, qui présente une coordonnée selon la direction de serrage X1 variable le long de la première direction transversale X2. Plus précisément, la première pièce 11 comprend dans cet exemple une première portion Q1 qui s’étend le long de la première direction transversale X2 à une première coordonnée de la direction de serrage X1 et deux deuxièmes portions Q2 qui s’étendent chacune le long de la première direction transversale X2 à une deuxième coordonnée de la direction de serrage X1. Autrement dit, les deuxièmes portions Q2 sont décalées par rapport à la première portion Q1 le long de la direction de serrage X1. La première pièce 11 comprend aussi deux portions de liaison Q3 incurvées reliant l’une respective des deuxièmes portions Q2 à la première portion Q1. Dans cet exemple, la première pièce 11 est symétrique par rapport à un plan passant par l’axe de symétrie A2 et parallèle à la deuxième direction transversale X3. Ainsi, la première pièce 11 est conformée de sorte que sa surface externe 21 dans la première portion Q1 et sa surface interne 20 dans les deuxièmes portions Q2 définissent entre elles une distance Y1 selon la direction de serrage X1. Dans cet exemple, la distance Y1 est nulle, c’est-à-dire que la surface externe 21 de la première portion Q1 a une coordonnée selon la direction de serrage X1 identique à la coordonnée, selon cette direction de serrage X1, de la surface interne 20 des deuxièmes portions Q2 de la première pièce 11. De manière générale, il est préféré que la distance Y1 soit inférieure à l’épaisseur B1 de la première pièce 11. Plus généralement, par rapport aux deuxièmes portions Q2 de la première pièce 11, la première portion Q1 est décalée vers la deuxième pièce 12 selon la direction de serrage X1. Pour obtenir une telle géométrie, la plaque utilisée pour former la première pièce 11 peut être soumise à une étape de soyage selon toutes techniques conventionnelles. Dans l’assemblage 10 de la figure 2, la troisième pièce 13 forme une coupelle comprenant deux bras 30 de transmission d’effort et une portion de liaison 31 reliant l’un à l’autre les bras 30. La troisième pièce 13 forme une première surface 32 en appui sur la surface interne 22 de la deuxième pièce 12. La portion de liaison 31 de la troisième pièce 13 forme une deuxième surface 33 parallèle à la première surface 32 et définissant une épaisseur de la portion de liaison 31. Les bras 30 de la troisième pièce 13 forment chacun une troisième surface 34 en appui sur la surface interne 20 des deuxièmes portions Q2 de la première pièce 11. L’assemblage 10 présente un jeu Y2 entre la surface interne 20 de la première portion Q1 de la première pièce 11 et la deuxième surface 33 de la portion de liaison 31 de la troisième pièce 13. Les bras 30 de la troisième pièce 13 s’étendent ainsi entre la première pièce 11 et la deuxième pièce 12 de manière à être enserrés entre celles-ci lorsqu’un effort de serrage est appliqué (voir ci-dessous). Dans le mode de réalisation de la figure 2, l’élément de liaison 14 est un boulon s’étendant le long de l’axe A2 et comprenant une vis 40 et un écrou 41. La vis 40 comprend une tige 42 filetée et une tête 43. La tige 42 de la vis 40 traverse les première, deuxième et troisième pièces 11, 12 et 13 par un orifice respectif réalisé dans chacune de ces pièces de sorte qu’une extrémité de la tige 42, opposée à la tête 43, coopère avec l’écrou 41. La tête 43 de la vis 40 forme une surface de butée 35 en appui sur la surface externe 21 de la première portion Q1 de la première pièce 11. L’écrou 41 forme une surface de contrebutée 36 en appui sur la surface externe 23 de la deuxième pièce 12. Le serrage du boulon 14 permet ainsi d’exercer un effort de plaquage de la première pièce 11 sur la deuxième pièce 12 selon la direction de serrage X1. L’effort de plaquage est dans cet exemple transmis à la deuxième pièce 12 par les deuxièmes portions Q2 de la première pièce 11 via les bras 30 de la troisième pièce 13. Dans cet exemple, la deuxième pièce 12, la troisième pièce 13 et l’élément de liaison 14 sont métalliques et ont l’un par rapport à l’autre un coefficient de dilatation thermique sensiblement identique. La première pièce 11 est quant à elle en CMC et présente un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de la deuxième pièce 12, la troisième pièce 13 et l’élément de liaison 14. Dans ces conditions, lorsque l’assemblage est soumis à une élévation de température, l’ensemble des pièces de l’assemblage 10 se dilatent. La première pièce 11 en CMC se dilate toutefois moins vite que les autres pièces métalliques compte tenu de leur coefficient de dilatation thermique respectif. Globalement, l’ensemble formé par les pièces métalliques, c’est-à-dire la deuxième pièce 12, la troisième pièce 13 et l’élément de liaison 14, se dilatent de manière homothétique, du moins dans l’hypothèse dans laquelle chacune des parties de cet ensemble atteint à chaque instant une température sensiblement identique. Dans de telles conditions, les distances suivantes restent constantes quelle que soit la température à laquelle l’assemblage 10 est soumis et, par suite, quel que soit le volume de cet ensemble métallique : d’une part, la distance selon la direction de serrage X1 entre la surface de butée 35 formée par la tête 43 de la vis 40 et la surface de contrebutée 36 formée par l’écrou 41 ; d’autre part, la distance selon la direction de serrage X1 entre la surface de butée 35 formée par la tête 43 de la vis 40 et ladite troisième surface 34 formée par chacun des bras 30 de la troisième pièce 13. Compte tenu de la nullité de la distance Y1, l’effort de serrage reste sensiblement identique quel que soit le volume relatif de la première pièce 11 (voir figure 3). Il est représenté sur la figure 3 une partie de la première pièce 11 de la figure 2 dans deux états de dilatation thermique. Dans un premier état, la première pièce 11A, illustrée en pointillé, est exposée à une température relativement basse. Dans un deuxième état, la première pièce 11B, illustrée en trait continu, est exposée à une température relativement élevée et occupe par conséquent un volume plus important que dans le premier état. Comme indiqué ci-dessus, la position relative de ladite troisième surface 34 des bras 30 par rapport à la surface de butée 35 reste constante quelle que soit la température. La figure 3 illustre le fait que la géométrie de la première pièce 11 et la position relative de la troisième surface 34 et de la surface de butée 35 permettent de conserver la surface externe 21 de la première pièce 11 en appui sur la surface de butée 35 et la surface interne 20 de la première pièce 11 en appui sur ladite troisième surface 34 et, par conséquent, de conserver un serrage identique lors d’un changement de température. Afin par exemple de compenser un éventuel gradient thermique au sein de l’assemblage 10, la distance Y1 peut être positive et déterminée de manière à conserver un serrage sensiblement identique lors des changements de température. En fonction des contraintes thermiques et de l’agencement effectif de l’assemblage 10, une distance Y1 non nulle peut être telle que la surface externe 21 de la première portion Q1 de la première pièce 11 soit plus proche de la surface de contrebutée 36 ou soit au contraire plus éloignée de celle-ci par comparaison avec la configuration de la figure 2. De nombreuses variantes peuvent être envisagées sur la base des principes décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, l’élément de liaison 14 peut être un rivet ou encore une vis vissée dans la deuxième pièce 12. La géométrie des portions de liaison Q3 peut être différente de celle illustrée sur la figure 2, pourvue qu’elle permette de supporter les contraintes appliquées sur la première pièce 11 lors du serrage. La troisième pièce 13 peut présenter toute autre géométrie et/ou être formée d’une seule pièce avec ladite deuxième pièce 12. L’assemblage 10 peut bien entendu comprendre plusieurs éléments de liaison 14. Assemblage (10) comprenant une première pièce (11), une deuxième pièce (12) et au moins un élément de liaison (14) des première et deuxième pièces (11, 12) l’une avec l’autre, la première pièce (11) ayant une surface interne (20) et une surface externe (21) opposée l’une par rapport à l’autre selon une direction de serrage (X1), la deuxième pièce (12) et l’élément de liaison (14) ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la première pièce (11), l’élément de liaison (14) étant solidaire de la deuxième pièce (12) selon la direction de serrage (X1) et comprenant une surface de butée (35) en appui sur la surface externe (21) de la première pièce (11) de manière à exercer un effort de plaquage de la première pièce (11) sur la deuxième pièce (12) selon la direction de serrage (X1), la première pièce (11) comprenant une première portion (Q1) et une deuxième portion (Q2) décalées l’une par rapport à l’autre le long d’une direction (X2) orthogonale à la direction de serrage (X1), caractérisé en ce que la surface de butée (35) de l’élément de liaison (14) est en appui sur la surface externe (21) de la première pièce (11) dans la première portion (Q1), la surface interne (20) de la première pièce (11) est en appui dans la deuxième portion (Q2) sur la deuxième pièce (12) ou sur une troisième pièce (13) interposée entre la première et la deuxième pièces (11, 12) de sorte que l’effort de plaquage soit transmis à la deuxième pièce (12) par la deuxième portion (Q2) de la première pièce (11), et en ce que, par rapport à la deuxième portion (Q2) de la première pièce (11), la première portion (Q1) est décalée vers la deuxième pièce (12) selon la direction de serrage (X1). Assemblage (10) selon la revendication 1, dans lequel la première pièce (11) est conformée de sorte que sa surface externe (21) dans la première portion (Q1) et sa surface interne (20) dans la deuxième portion (Q2) définissent entre elles une distance (Y1) selon la direction de serrage (X1) qui est inférieure à une épaisseur (B1) de la première pièce (11), cette distance (Y1) étant de préférence nulle. Assemblage (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première pièce (11) comprend une portion de liaison (Q3) incurvée reliant l’une à l’autre lesdites première et deuxième portions (Q1, Q2). Assemblage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’élément de liaison (14) comprend une vis (40) et/ou un écrou (41), la vis (40) ou l’écrou (41) formant ladite surface de butée (35). Assemblage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le coefficient de dilatation thermique de la deuxième pièce (12) est identique à celui de l’élément de liaison (14). Assemblage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première pièce (11) comprend un matériau composite à matrice céramique, la deuxième pièce (12) et l’élément de liaison (14) étant métalliques. Assemblage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première pièce (11) et la deuxième pièce (12) forment chacune une plaque. Assemblage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant ladite troisième pièce (13), la troisième pièce (13) comprenant au moins un bras (30) de transmission d’effort enserré entre une surface interne (22) de la deuxième pièce (12) et la surface interne (20) de la deuxième portion (Q2) de la première pièce (11). Ensemble propulsif (1) pour aéronef comprenant un assemblage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Procédé de fabrication d’un assemblage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant une étape de soyage d’une plaque de manière à former la première pièce (11).