BR112013022288B1

BR112013022288B1 - Processo para fabricar uma peça metálica de revolução monobloco, incorporando um reforço de fibras cerâmicas

Info

Publication number: BR112013022288B1
Application number: BR112013022288-3A
Authority: BR
Inventors: Jacques Gérard Dambrine Bruno; Godon Thierry
Original assignee: Snecma
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2018-07-03
Also published as: RU2584061C2; CN103402675B; BR112013022288A2; CA2828388C; FR2972123A1; EP2680991A1; EP2680991B1; CN103402675A; US9150948B2; RU2013141409A; US20130340226A1; CA2828388A1; WO2012117213A1; FR2972123B1

Abstract

processo para fabricar uma peça metálica de revolução monobloco, incorporando um reforço de fibras cerâmicas o processo para fabricar uma peça de revolução monobloco compreende a realização de um esboço de peça em torno de um mandril cilíndrico, o esboço compreendendo pelo menos uma estrutura fibrosa formada de fibras compósitas cerâmicas revestidas de metal, depois o tratamento de soldagem difusão do esboço por compactação isostática a quente, e a usinagem eventual do esboço assim tratada para obter a peça. de acordo com a invenção, o processo é caracterizado pelo fato de o esboço compreender pelo menos uma primeira camada (6) de fio metálico entre o mandril (10) e essa estrutura (7) fibrosa compósita e pelo menos uma segunda camada (8) de fio metálico em torno dessa estrutura fibrosa compósita, de maneira a revestir esta.

Description

(54) Título: PROCESSO PARA FABRICAR UMA PEÇA METÁLICA DE REVOLUÇÃO MONOBLOCO, INCORPORANDO UM REFORÇO DE FIBRAS CERÂMICAS (51) Int.CI.: B22F 3/15; C22C 47/04; C22C 47/06 (30) Prioridade Unionista: 02/03/2011 FR 1151706 (73) Titular(es): SNECMA (72) Inventor(es): BRUNO JACQUES GÉRARD DAMBRINE; THIERRY GODON

1/7 “PROCESSO PARA FABRICAR UMA PEÇA METÁLICA DE REVOLUÇÃO MONOBLOCO, INCORPORANDO UM REFORÇO DE FIBRAS CERÂMICAS”

Domínio técnico da invenção

A presente invenção se refere a um processo de fabricação de uma peça metálica oca de revolução, monobloco, tal como uma árvore de transmissão de binário, a partir de uma estrutura fibrosa compósita sob a forma de fibras, camada de fibras, tecido de fibras e análogos, essas fibras sendo revestidas de metal.

Técnica anterior

Com a finalidade de responder os problemas permanentes de redução de consumo específico, procura-se substituir determinadas peças forjadas em uma turbo-máquina por peças mais leves e de estrutura mais simples. É o caso da árvore de transmissão de potência entre a árvore principal de um turbo-reator e sua caixa de engrenagem de acionamento das máquinas acessórias do motor, designado pelo acrônimo AGB no domínio. Trata-se de uma árvore fim relativamente longa, da ordem do metro, para os motores de diâmetro maior e para o qual é necessário prever além das extremidades um mancai intermediário, assegurando sua sustentação e a passagem dos modos próprios de freqüências vibratórias.

Nestes últimos anos colocaram em evidência em numerosos domínios técnicos, notadamente aeronáutico, espacial, militar, automobilístico, etc..., a importância dos materiais compósitos na realização parcial ou total de peças, em razão da otimização da resistência destas, para uma massa e um volume mínimo. Para comando, essa estrutura fibrosa em material compósito comporta uma matriz de liga metálica, por exemplo, de liga de titânio Ti, no meio da qual se estendem fibras, por exemplo, fibras cerâmicas de carboneto de silício SiC. Essas fibras apresentam uma resistência em tração bem superior àquela do titânio (tipicamente, 4000 MPa contra 1000 MPa). São, portanto, as fibras que retomam os esforços, a matriz de liga metálica, assegurando uma função de ligante para a peça, assim como de proteção e de isolamento das fibras, que não devem entrar em contato umas com as outras. Além disso, as fibras cerâmicas são resistentes à erosão, mas devem necessariamente ser revestidas de metal.

Esses materiais compósitos podem ser utilizados para fabricar peças de revolução anulares de turbo-máquina para aeronave ou outra aplicação industrial, como anéis, árvores, corpos de macaco, cárteres, travessas, reforços de peças monolíticas, tais como pás, etc...

Um processo conhecido para fabricar peças de revolução ocas com estrutura monobloco consiste em superpor, em torno de um mandril cilíndrico, estruturas fibrosas (fibras, camada de fibras ou tecido de fibras) sucessivas, depois em dispor as estruturas fibrosas compósitas enroladas em uma aparelhagem de recebimento específica para

2/7 compactar e ligar estas por soldagem difusão e obter no final da peça de revolução em material compósito. Um processo de fabricação de uma peça de revolução por drapeamento de uma camada de fibras é descrito no pedido de patente EP 1726 678, em nome da requerente.

Um outro processo conhecido consiste em enrolar fibras cerâmicas, mas não revestidas, em torno de um mandril, interpondo fios metálicos entre as fibras cerâmicas. Esse processo foi patenteado pela requerente FR 2.713.212.

Apresentação da invenção

A requerente se fixou como objetivo o desenvolvimento de um processo que permite realizar peças de revolução, cujo diâmetro pode ser muito pequeno, da ordem do diâmetro dos fios utilizados, mas também ser elevado sendo limitado somente pelo volume da aparelhagem e cujo comprimento depende dos únicos meios utilizados.

Assim é que a invenção tem por objeto um processo para fabricar uma peça de revolução monobloco, compreendendo a realização de um esboço da peça em torno de um mandril cilíndrico, o esboço compreendendo pelo menos uma estrutura fibrosa formada de fibras compósitas cerâmicas revestidas de metal, depois o tratamento de soldagem difusão do esboço por compactação isostática a quente, e a usinagem eventual do esboço assim tratada para se obter a peça, e o processo é caracterizado pelo fato de o esboço compreender pelo menos uma primeira camada de fio metálico entre o mandril e essa estrutura fibrosa compósita e pelo menos uma segunda camada de fio metálico em torno dessa estrutura fibrosa compósita, de maneira a revestir esta.

O processo da invenção permite assim obter uma peça que apresenta uma rigidez suficiente, sem aumentar sua massa volúmica e, no caso de uma árvore de transmissão de binário, tal como aquela reportada mais acima, de aumentar a relação módulo de Young sobre massa volúmica, remontar os modos próprios de frequências vibratórias da peça e, portanto, eventualmente fabricar uma árvore sem mancai intermediário.

Vantajosamente, o mandril é em duas partes troncônicas separáveis uma da outra e formando um diabolô. Dessa forma, o esboço, após compactação, pode ser desmoldado, sem dificuldade. A primeira camada de fio metálico é, de preferência, conformada, de maneira a apresentar após compactação do esboço uma parte cilíndrica, formando após usinagem a parede interna da peça. A camada de fio metálico pode ser formada por enrolamento de um ou vários fios metálicos em torno do mandril.

O fio metálico é, por exemplo, obtido por trefilagem e é de mesma natureza que aquele que reveste as fibras compósitas; desse modo, se obtém, após passagem na aparelhagem, uma camada metálica homogênea que tem uma espessura apropriada sobre as fibras das estruturas de reforço.

O processo da invenção apresenta também a vantagem de poder efetuar a frio, à

3/7 temperatura ambiente, as camadas superpostas de fio metálico e da estrutura fibrosa.

De acordo com uma outra característica do processo se dispõem as fibras revestidas da estrutura fibrosa, segundo uma mesma direção, de preferência, a direção axial da peça.

Mais particularmente, a estrutura fibrosa compósita é formada por enrolamento de camadas ou de tecido de fibras compósitas metálicas.

De acordo com uma outra característica, ligam-se pelo menos em parte as camadas entre elas por colagem, soldagem e por meio de lâminas metálicas.

De acordo com um modo de realização particular, formam-se notadamente nas extremidades longitudinais da peça, por enrolamento de fio metálico, nervuras radiais transversais. Essas nervuras transversais podem ser usinadas e formar pinhões de engrenagem, por exemplo. De acordo com uma variante de realização, incorpora-se nessas nervuras transversais um reforço de fibras cerâmicas.

Por outro lado, os fios metálicos utilizados podem ter diâmetros diferentes, e camadas com vários enrolamentos superpostos desses fios podem ser previstas em alternância com as estruturas fibrosas superpostas, cujo número pode ser superior a duas.

Breve descrição dos desenhos

As figuras do desenho anexado farão compreender bem como a invenção pode ser realizada. Nessas figuras, referências idênticas designam elementos semelhantes.

A figura 1 mostra esquematicamente um exemplo de peça cilíndrica que se pode obter com o processo da invenção.

A figura 2 mostra a etapa de formação da primeira camada de fio metálico do esboço de peça, de acordo com um modo de realização da invenção.

A figura 3 mostra a etapa de formação da camada de estrutura fibrosa em fibras cerâmicas revestidas.

A figura 4 mostra a etapa de formação da segunda camada de fio metálico.

A figura 5 mostra esquematicamente a etapa de compactação isostática a quente do esboço.

As figuras 6 e 7 mostram uma variante de aplicação do processo da invenção.

A figura 8 mostra uma outra variante de aplicação do processo da invenção para a realização de uma peça que apresenta uma nervura radial transversal.

Descrição detalhada da invenção

O processo tem por finalidade a fabricação de uma peça de revolução monobloco, anular 1, unicamente a partir de elementos alongados que se apresentam sob a forma de fios, fibras ou análogas, conforme será visto a seguir. A invenção visa mais particularmente a formação de peças de grande comprimento em relação ao seu diâmetro. A figura 1 mostra em corte longitudinal a peça oca cilíndrica de parede 2 metálica, de eixo XX, e incorporando fibras de reforço 3, em material cerâmico, em uma ou várias camadas, de preferência todas

4/7 as fibras de uma mesma camada tendo uma mesma orientação, tal como axial.

Para se obter esse tipo de peça, utiliza-se um mandril cilíndrico 10 de eixo longitudinal X em torno do qual se forma a peça. O mandril é, de preferência, em forma de diaboiô, em duas partes troncônicas 10a e 10b que são fixadas uma na outra por seu vértice, de maneira amovível, de forma a poder separá-las uma da outra. O semiângulo alfa no vértice dos dois cones, exagerado na figura, é da ordem de 6 a 7°. A forma diaboiô tem por finalidade permitir a desmoldagem da peça após compactação dos fios e fibras, conforme será visto na sequência. Enrola-se, em uma primeira etapa, um fio metálico 4 em torno do cilindro, de maneira a formar uma primeira camada de fio metálico. Considerandose a aplicação da peça 1 ao domínio aeronáutico, o fio metálico 4 é fabricado notadamente em uma liga de titânio de tipo TÍA6V ou ΊΠ6242, assegurando resistência termomecânica e leveza, e é obtido notadamente por trefilagem, de maneira a poder ser disponível sob a forma de bobina ou de dobadoura é puxado o fio.

Meios diferentes da trefilagem são consideráveis. Dimensionalmente, seu diâmetro depende da peça a ser obtida e pode ser da ordem de alguns décimos de milímetro a vários milímetros.

No exemplo ilustrado na figura 2, o fio trefilado metálico 4 é oriundo de uma bobina não representada e é arrastado, de forma sensivelmente perpendicular ao eixo X, em torno do mandril cilíndrico 10 em uma extensão pré-determinada correspondente ao comprimento que se deseja obter, após fabricação, para a peça de revolução 1, formando assim várias espiras contíguas, e em uma ou várias espessuras superpostas, de maneira a formar a primeira camada de fio metálico 6. Poder-se-iam também utilizar vários fios metálicos ou um ou vários fios metálicos com um diâmetro diferente do fio metálico 4. Em razão da conicidade do cilindro 10, a primeira camada tem uma seção longitudinal triangular. Um das funções da camada 6 é de preencher a parte de desmoldagem até o diâmetro interno da peça acabada, após usinagem.

O processo prossegue por uma segunda etapa mostrada na figura 3 e que consiste em dispor uma estrutura fibrosa compósita 7 em torno da primeira camada 6 de fio metálico

4.

A estrutura fibrosa compósita 7 pode se apresentar sob a forma de um tecido de fibras cerâmicas revestidas 9 associadas paralelamente entre elas e fabricadas em cerâmica (SiC) ou em um material análogo revestido de metal. Este e o metal do fio trefilado são, de preferência, de natureza idêntica (em TÍA6V ou em 6242, por exemplo) para otimizar a etapa posterior do processo relativa à operação de compactação isostática a quente. O tecido da estrutura fibrosa 7 é enrolado em torno da bobinagem da primeira camada 6 de fio metálico 4, de forma que as fibras 9 sejam dispostas todas segundo a mesma orientação, por exemplo, e, de preferência, paralelamente ao eixo longitudinal X do mandril 10.

5/7

Uma única camada do tecido é formada em torno da primeira camada de fio 4. Naturalmente, um enrolamento de várias camadas poderia ser previsto a partir do mesmo tecido, até mesmo a partir de um ou de vários outros tecidos distintos enrolados concentricamente. Os tecidos podem ser de diferentes espécies, de diferentes diâmetros de fios revestidos. O comprimento da estrutura fibrosa compósita 7 é inferior ou igual ao comprimento da superfície externa da primeira camada 6 de fio metálico. Deve ser observado que a superfície externa desta pode ser arqueada para considerar a compactação da camada 6 pelo tratamento de compressão isostática a quente. Após esse tratamento, essa superfície deve, de preferência, ser cilíndrica reta.

De acordo com uma terceira etapa do processo ilustrada com relação à figura 4, dispõe-se, em torno do tecido da estrutura fibrosa compósita 7, um fio metálico, por exemplo trefilado, 5, que provém de uma bobina não representada e que é levado sensivelmente de modo ortogonal ao eixo longitudinal X do mandril cilíndrico rotativo 10. O fio metálico 5 forma uma segunda camada 8 de espiras contíguas em torno do tecido da estrutura fibrosa 7. A segunda camada 8 pode compreender um enrolamento de várias espessuras. Também, como para a primeira camada, ao invés do enrolamento de um fio metálico, pode-se colocar uma pluralidade de fios metálicos ou uma camada de fios metálicos. Quando se utilizam vários fios, estes podem ser de mesmo diâmetro ou de diâmetros diferentes. Os fios podem também ser fios metálicos pré-ligados sob a forma de cabos. Camadas de lâminas metálicas podem também ser enroladas com a segunda camada. De acordo com uma característica do processo, o(s) fio(s) metálico(s) 5 são enrolados, de maneira a revestir integralmente as fibras compósitas da estrutura fibrosa 7 subjacente. Conforme se vê na figura 4, em particular a segunda camada 8 recobre a parte da primeira camada 6 de fio metálico que não é ela mesma recoberta pela estrutura fibrosa 7.

Obtém-se um esboço E da peça de revolução a realizar, que é constituída unicamente a partir de fios metálicos 4 e 5, e de uma estrutura 7 com fibras compósitas sob a forma individual, em camada, em tecido ou outra.

Depois, conforme mostra a figura 5, o esboço E é submetido a tratamento de compressão isostática a quente (CIC) em uma prensa isoterma ou sob bolsa em um autoclave (a escolha dependendo notadamente do número de peças a produzir). Coloca-se um sistema de tampa sobre o esboço de forma complementar. Como o esboço é cilíndrico, a tampa, em várias partes, forma um envoltório cilíndrico em torno do esboço.

Sob a ação da compressão exercida (por conseguinte, de uma alta pressão aplicada segundo seta F) sob uma temperatura elevada apropriada, o metal dos fios metálicos e do revestimento das fibras das estruturas se torna pastoso e nítido, suprimindo todos os espaços vazios entre as espiras e camadas, depois sua soldagem difusão, densificando no final a peça.

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Em uma variante, o conjunto é colocado em uma bolsa deformável em aço doce, a qual é em seguida introduzida em um autoclave. Esse autoclave é levado a uma pressão isostática de 1000 bárias e uma temperatura de 940°C (para o TÍA6V), de modo que a totalidade da bolsa se deforma, retraindo-se pela evacuação do ar e se aplica contra o mandril, e a tampa que, por sua vez, comprime sob uma pressão uniforme os enrolamentos de fio e fibra até deformação do metal que os constitui com ligação por soldagem difusão. Vantajosamente, várias bolsas podem ser assim introduzidas no autoclave para realizar simultaneamente as peças, reduzindo os custos de fabricação.

Assim, após parada do tratamento CIC, resfriamento e desmoldagem, usina-se o esboço para se obter a peça de revolução monobloco compósito 1, representada na figura 1, que é fabricada em metal com, em seu núcleo, as fibras que formam enxertos de reforço.

A aparelhagem formada pelo mandril cilíndrico 10 e o sistema de tampa é, de preferência, constituído de um material que permite sua utilização de novo para a fabricação de uma outra peça. Trata-se, por exemplo, de uma superliga que resiste à temperatura e à pressão do tratamento, conservando sua integridade.

Evidentemente, a direção de orientação das fibras poderia ser diferente daquela descrita acima (paralela ao eixo do mandril), da mesma forma que a escolha de um tecido como estrutura fibrosa interna não é de modo nenhum obrigatória, qualquer outra escolha podendo ser considerada. Convém também precisar que as etapas de enrolamento dos fios e das estruturas fibrosas são realizadas à temperatura ambiente sem ter recorrido a uma instalação complexa.

A título de exemplos, as fibras compósitas revestidas podem ser, além de SiC/Ti, conforme descrito acima, em SiC/AI, SiC/SiC, SiC/B, etc...

Dimensionalmente, o raio mínimo do mandril é função do diâmetro do fio metálico e deve ser superior a este. Com referência ao comprimento da peça, ela pode atingir vários metros, se necessário.

Conforme uma variante de utilização, representada nas figuras 6 e 7, juntam-se placas 13a e 14b ao mandril, do lado das extremidades livres dos semi-mandris 10'a e 10'b, de maneira a completar o suporte da segunda camada 8' de fio metálico, quando esta tem um diâmetro superior àquele do mandril 10'a, 10'b. A espessura das diferentes camadas aplicadas considera seu aumento, visando o resultado que se deseja obter após tratamento CIC. O sistema de tampa 12', tal como representado na figura 7, é adaptado à geometria externa do esboço.

De acordo com uma outra variante de realização, o processo da invenção permite fabricar peças em forma de haltere, isto é, com nervuras radiais transversais. Basta para obtê-las adaptar a geometria da segunda camada, de maneira a formar essas nervuras. A espessura dessa segunda camada é aumentada com essa finalidade no local desejado.

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Assim, na figura 8, vê-se um detalhe do esboço realizado dessa forma. A segunda camada 8” de fio metálico é formada por enrolamento de fio metálico, de maneira a apresentar uma parte que forma uma nervura transversal 8” a. Essa nervura após o tratamento CIC forma uma nervura radial transversal sobre a peça. A função dessa nervura pode ser um flange de fixação terminal ou bem um pinhão após usinagem de dentes radiais.

Com a finalidade de reforçar ainda a resistência mecânica dessa nervura, podem-se incluir fibras cerâmicas 8”b de comprimento adaptado à largura da nervura após CIC. Se as fibras de reforço forem orientadas transversalmente ao eixo da peça, então elas poderão ser colocadas por enrolamento, conforme o são os fios metálicos. Caso a orientação escolhida das fibras de reforço deva ser axial, então serão colocadas sob a forma de camadas ou de tecido como a camada de reforço 7.

Observa-se que a forma da tampa 12” é também adaptada àquela do esboço de peça fabricada sobre o mandril 10“.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para fabricar uma peça (1) de revolução monobloco, compreendendo a realização de um esboço da peça em torno de um mandril cilíndrico (10), o esboço compreendendo pelo menos uma estrutura fibrosa (7) formada de fibras (9) compósitas cerâmicas revestidas de metal, depois o tratamento de soldagem difusão do esboço por compactação isostática a quente, e a usinagem eventual do esboço assim tratada para obter a peça (1), caracterizado pelo fato de o esboço compreender pelo menos uma primeira camada (6) de fio metálico (4) entre o mandril (10) e a dita estrutura (7) fibrosa compósita e pelo menos uma segunda camada (8) de fio metálico em torno da dita estrutura (7) fibrosa compósita, de maneira a revestir esta, o mandril (10) compreendendo duas partes (10a, 10b) troncônica, separáveis uma da outra.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a primeira camada (6) de fio metálico ser conformada de maneira a apresentar, após compactação do esboço, uma parte cilíndrica capaz de formar, após usinagem, a parede interna da peça.
3. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a primeira camada (6) de fio metálico ser formada por enrolamento de um ou vários fios metálicos (4) em torno do mandril (10).
4. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de o fio metálico (4) ser do tipo obtido por trefilagem e de mesma natureza que aquele que reveste as fibras compósitas.
5. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de a colocação das diferentes camadas (6, 7, 8) ser efetuada a frio, à temperatura ambiente.
6. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de se disporem as fibras (9) revestidas da estrutura fibrosa compósita, segundo uma mesma direção, de preferência a direção axial da peça.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a estrutura fibrosa (7) compósita ser formada por enrolamento de uma ou várias camadas ou tecidos de fibras compósitas metálicas paralelas ou de fibras individuais e paralelas sucessivamente dispostas em torno do mandril.
8. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de se ligarem pelo menos em parte as camadas entre elas por colagem, soldagem ou por meio de lâminas metálicas.
9. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de se formarem nas extremidades longitudinais do esboço, por enrolamento de fio metálico, nervuras (8”a) radiais transversais.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de se incorporar nessas nervuras transversais um reforço (8b) de fibras cerâmicas.

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X X Fig. 1