BR112016003482B1 - Inserto de reforço compósito, peça de turbomáquina contendo um tal inserto de reforço e método de fabricação de um inserto de reforço compósito - Google Patents
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Abstract
inserto de reforço de compósito e método de fabricação. a invenção refere-se a um inserto de reforço de compósito que compreende: um cordão formado por uma fibra central (1) em material de cerâmica circundado por filamentos (2) de liga de metal enrolados de modo helicoidal ao redor da fibra central (1), e uma camada de reforço (3) metálica que cobre o cordão.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a um inserto de reforço, preferencialmente para uma peça de turbomáquina, bem como a um método de fabricação de tal inserto de reforço.
[0002] Designadamente no domínio da aeronáutica, um objetivo constante consiste na otimização da resistência das peças para um mínimo de massa e ocupação de espaço. Desta forma, determinadas peças podem doravante comportar um inserto de reforço de material compósito com matriz metálica. Tal material compósito comporta geralmente uma matriz de liga metálica, por exemplo, de liga de titânio (Ti), de níquel (Ni) ou de alumínio (Al), na qual se estendem fibras, por exemplo, fibras cerâmicas de carboneto de silício (CiC). Essas fibras apresentam uma resistência de tração bem superior à do titânio (tipicamente, 4.000 MPa contra 1.000 MPa) e uma rigidez tipicamente três vezes mais elevada. São, portanto, as fibras que suportam os esforços, com a matriz de liga metálica assegurando a transferência das cargas entre as fibras, uma função de ligação com o resto da peça, bem como uma função de proteção e de separação das fibras, que não devem entrar em contato umas com as outras. Além disso, as fibras cerâmicas são resistentes, porém são frágeis e devem necessariamente ser protegidas por metal.
[0003] Estes materiais compósitos podem ser utilizados na fabricação de discos, de eixos, de corpos de cilindros, de cárteres, de espaçadores, como reforço de peças monolíticas tais como pás, etc. Os mesmos podem igualmente encontrar aplicação em outros domínios em que um campo de forças volumétricas é aplicado a uma peça, por exemplo, um envelope de pressão tal como um canhão ou um reservatório de fluido sob pressão.
[0004] Para obtenção de tal inserto de reforço de material compósito, são antecipadamente formados fios referidos como “fios revestidos”, compreendendo uma armação formada por uma fibra de cerâmica, revestida com uma bainha metálica. O revestimento de metal proporciona ao fio uma maior rigidez e uma melhor tenacidade, útil para a manipulação do mesmo.
[0005] Na técnica anterior, o revestimento (“ enduction ” em francês) de fibras de carboneto de silício (SiC) é mais frequentemente realizado por um processo de deposição física em fase gasosa do tipo EBPVC (Electron beam physical vapor deposition). Entretanto, este método é pouco rentável em termos de rendimento. Além disso, o método de revestimento é demorado, na medida em que a velocidade de deposição é da ordem de um metro por minuto.
[0006] A técnica anterior propõe igualmente realizar o revestimento das fibras de SiC por um método de revestimento direto da fibra de SiC em um banho de metal em fusão por levitação. Tal método de revestimento é, por exemplo, descrito no documento EP0931846. Este documento propõe manter o material líquido em levitação em um cadinho adaptado, de forma a suprimir pelo menos parcialmente o contato com as paredes deste último, a uma temperatura apropriada. A levitação é obtida graças a meios eletromagnéticos que circundam o cadinho. A fibra de cerâmica, mantida tensionada por meios de preensão, é puxada através do banho de metal. A velocidade de passagem da fibra no interior do banho metálico é fixada em função da espessura de metal desejada sobre a fibra. Este método é mais rápido que o precedente, porém produz uma fibra descentrada. Além disso, o mesmo não permite regular facilmente a relação entre a porcentagem de fibra de SiC e a porcentagem de matriz metálica. Adicionalmente, podem surgir desestabilizações nos insertos fabricados de acordo com este método.
[0007] A invenção visa remediar os inconvenientes do estado da técnica propondo um inserto de reforço que apresenta uma solidez reforçada e cuja composição pode ser escolhida.
[0008] Para este efeito, é proposto de acordo com um primeiro aspecto da invenção, um inserto de reforço compósito, de preferência para uma turbomáquina, compreendendo: - um cordão formado por uma fibra central de material de cerâmica circundada por pequenos filamentos de liga metálica enrolados em hélice em torno da fibra central, - uma camada de reforço metálica recobrindo o cordão.
[0009] É designado como “cordão” uma montagem cujos filamentos ou fibras são dispostos em camadas concêntricas em torno de um filamento ou uma fibra central.
[0010] Assim, contrariamente aos insertos de reforço da técnica anterior, nos quais a camada de reforço é depositada diretamente sobre a fibra central, a invenção propõe enrolar antecipadamente fibras de liga metálica em torno da fibra central, e em seguida revestir o conjunto obtido com uma camada de reforço metálica. O inserto de reforço assim obtido apresenta uma solidez aperfeiçoada. Apresenta também como vantagem ter uma fibra central centralizada relativamente à parte metálica que o circunda. Além disso, tal inserto de reforço é particularmente vantajoso, visto ser possível selecionar facilmente a relação entre a porcentagem de material de cerâmica e a porcentagem de liga metálica.
[0011] O inserto de reforço de acordo com a invenção pode igualmente apresentar uma ou mais características doravante aqui consideradas individualmente ou de acordo com todas as combinações tecnicamente possíveis.
[0012] De acordo com diversos modos de realização, o cordão pode compreender N filamentos de liga metálica com N superior ou igual a 6. N é de preferência igual a 7, 19 ou 37. O diâmetro dos filamentos metálicos e seu número N são determinados para que o inserto apresente um número Vf selecionado. O número Vf corresponde à relação de superfície entre a fibra de cerâmica e os filamentos de liga metálica que o circundam. Quando o cordão compreende 6 filamentos de liga metálica, estes filamentos são preferencialmente dispostos para formarem uma única camada em torno da fibra central. Vf é então igual a 1/7, ou seja, 14,3%. Quando são selecionadas as construções com Vf inferior a 14%, o cordão comporta filamentos em número superior a 18 ou 19 em torno da fibra central, e estes filamentos são preferencialmente dispostos para formarem várias camadas concêntricas em torno da fibra central.
[0013] A fibra central é preferencialmente realizada em carboneto de silício, que apresenta boas propriedades mecânicas.
[0014] Vantajosamente, os filamentos são realizados em uma liga metálica à base de titânio, de níquel ou de alumínio para que o inserto de reforço apresente uma boa razão entre resistência mecânica e peso.
[0015] A camada de reforço metálica é preferencialmente realizada com o mesmo material metálico de base da liga metálica que forma os filamentos.
[0016] Um segundo aspecto da invenção refere-se igualmente a um método de realização de um inserto de reforço, destinado de preferência a uma turbomáquina, a partir de uma fibra central de cerâmica, em que o método compreende as seguintes etapas: - (a) Torcimento do cordão com os filamentos de liga metálica de modo a formar um cordão; - (c) Revestimento do cordão com uma camada protetora metálica.
[0017] Tal procedimento é simples e rápido, e permite obter insertos de reforço cuja composição pode ser selecionada. Além disso, a fibra de cerâmica do inserto assim realizado fica centralizada.
[0018] O método pode igualmente comportar uma etapa (b) de fixação dos filamentos mediante pontos de soldagem. Esta etapa pode ser realizada por laser ou por feixe de elétrons. Entretanto, esta etapa de fixação não é indispensável se o cordão tiver uma firmeza mecânica sem aumento de volume dos filamentos.
[0019] A etapa de revestimento compreende de preferência uma etapa de passagem do cordão dentro de um banho de metal líquido em fusão em levitação.
[0020] O metal líquido em fusão em levitação compreende de preferência uma carga do mesmo material que o material de base dos filamentos.
[0021] O método pode igualmente comportar, entre as etapas (b) e (c), uma etapa de recobrimento do cordão com uma camada protetora contra oxidação. Esta camada protetora é particularmente útil quando a liga metálica dos filamentos é sensível à oxidação. Isto ocorre, por exemplo, quando os filamentos são realizados em uma liga de alumínio. O cordão pode então ser recoberto com uma camada protetora, que é preferencialmente uma nano-camada de cobre. Esta camada protetora desaparece no momento da passagem do cordão no banho de metal líquido.
[0022] Outro aspecto da invenção se refere igualmente a uma peça metálica para uma turbomáquina compreendendo um inserto de acordo com o primeiro aspecto da invenção, ou realizado de acordo com um método de acordo com o segundo aspecto da invenção.
[0023] A invenção refere-se igualmente a um método de realização de uma peça metálica para uma turbomáquina compreendendo as seguintes etapas: - instalação por bobinagem de um inserto de reforço de acordo com o primeiro aspecto da invenção ou obtido por um método de acordo com o segundo aspecto da invenção em torno da peça da turbomáquina; - compactação da peça da turbomáquina por compressão isostática a quente.
[0024] Outras características e vantagens da invenção irão tornar-se aparentes a partir da leitura da descrição detalhada que se encontra a seguir, com referência às figuras em anexo, que ilustram: Na Figura 1, uma vista em corte de uma fibra de cerâmica; Na Figura 2, uma vista em corte de uma fibra de cerâmica circundada por filamentos de liga metálica; Na Figura 3, uma vista em perspectiva de três cordões; Na Figura 4, um cordão recoberto com uma camada de reforço; A Figura 5 ilustra a evolução relativamente aos raios dos filamentos metálicos e ao da fibra, bem com o valor Vf obtido em função do número de filamentos para construções monocamada.
[0025] Para maior clareza, os elementos idênticos ou similares são assinalados por sinais de referência idênticos no conjunto das figuras.
[0026] Um método de realização de um inserto de reforço de acordo com um modo de realização da invenção é descrito com referência às Figuras 1 até 4. O inserto de reforço é realizado a partir de uma fibra central 1 de cerâmica. Esta fibra central 1 é feita de carboneto de silício.
[0027] O método compreende uma primeira etapa (a) de realização de um cordão mediante enrolamento de filamentos 2 de liga metálica em torno da fibra central 1. Os filamentos são preferencialmente realizados em uma liga metálica à base de titânio, de níquel ou de alumínio. Os filamentos são enrolados em torno da fibra central de forma helicoidal para formarem uma hélice em torno da fibra central. Em função da relação Vf, o cordão pode comportar mais ou menos filamentos 2. O número Vf é definido como a relação de superfície entre a fibra central e os filamentos metálicos. Por exemplo, uma fibra central 1 com um diâmetro de 140 μm apresenta uma seção transversal de 15.400 μm2. Um cordão de 10 filamentos com um diâmetro de 70 μm apresenta 10 seções de 3.850 μm2, ou seja, 38.500 μm2. Ou seja, uma superfície total de 38.500 + 15.400 = 53.900 μm2. A relação de superfície Vf é, portanto, igual a 15.400 x 53.900 x 100 = 29%.
[0028] O cordão compreende geralmente N filamentos com N superior ou igual a 6. Os filamentos 2 são organizados em camada(s) concêntrica(s) em torno da fibra central 1. É igualmente possível fazer variar o diâmetro da fibra central 1 e o diâmetro dos filamentos 2 em função da relação Vf pretendida entre a porcentagem de fibra de carboneto de silício com relação à porcentagem de matéria do cordão. As relações dimensionais são: com: R1 raio geométrico da fibra de cerâmica, R2 raio geométrico do filamento metálico N número de filamentos metálicos
[0029] A evolução do número Vf em função do número de filamentos no caso de uma bobinagem monocamada encontra-se representada na Figura 5, bem como a evolução da relação R2/R1 em função do número de filamentos periféricos.
[0030] Por exemplo, uma fibra de carboneto de silício com um diâmetro de 140 μm circundada por 7 filamentos de 107 μm de diâmetro e revestida com uma camada protetora de 3 μm resulta em uma porcentagem de fibra de carboneto de silício SiC de 20%.
[0031] Por ocasião do torcimento dos filamentos de liga metálica em torno da fibra central 1, é imperativo fazer circular a fibra central sem gerar raios de curva inferiores a 20 mm para não danificar a fibra central. Para este efeito, as polias utilizadas para enrolar a fibra central no momento da operação de torcimento devem ser suficientemente grandes para não gerarem raios de curvatura na fibra central inferiores a 20 mm.
[0032] Se o cordão apresentar fenômenos de aumento de volume em torno da fibra central, é possível realizar de forma regular pequenos pontos de soldagem dos filamentos em alinhamento com a torcedeira. Pode ser utilizada uma técnica de soldagem a laser ou feixe de elétrons.
[0033] Adicionalmente, quando os filamentos 2 são realizados em ligas metálicas sensíveis à oxidação, o método pode compreender uma etapa (c) de revestimento do cordão por uma camada protetora. Por exemplo, quando a liga metálica utilizada para os filamentos 2 é feita à base de alumínio, a camada protetora pode consistir em uma nano-camada de cobre. Esta camada protetora desaparece na etapa seguinte.
[0034] Com efeito, o método compreende em seguida uma etapa (c) de revestimento do cordão com uma camada de reforço 3 metálica. Para esta finalidade, o cordão é feito passar através de um banho de metal líquido em fusão em levitação de uma carga do mesmo material que o dos filamentos dispostos helicoidalmente em torno da fibra central 1. Assim, quando os filamentos 2 são realizados em uma liga à base de titânio, a carga do banho de metal líquido compreende preferencialmente titânio. Da mesma forma, quando os filamentos são realizados em uma liga metálica à base de alumínio, a carga compreende preferencialmente alumínio. São conhecidos da técnica anterior métodos de revestimento do cordão com o auxílio de um banho de metal líquido. Tais métodos são descritos, por exemplo, nos documentos EP 0 931 846 ou EP 1 995 342. No momento da etapa de revestimento, os filamentos 2 não são totalmente refundidos. Ao final desta etapa (c) de revestimento, o cordão encontra-se revestido com uma camada de reforço 3 metálica. Esta camada de reforço 3 é contínua.
[0035] O método compreende em seguida uma etapa de solidificação do inserto de reforço, no decurso da qual o inserto se torna rígido.
[0036] É assim obtido um inserto de reforço de acordo com um modo de realização da invenção, compreendendo: - Um cordão compreendendo: - Uma fibra central 1 de cerâmica; - Filamentos 2 de liga metálica envolvendo a fibra central 1 formando uma hélice em torno da fibra central; - Uma camada de reforço 3 de liga metálica recobrindo o cordão.
[0037] O inserto de reforço assim obtido é fácil de fabricar e muito resistente. Adicionalmente, sua composição pode ser facilmente modificada.
[0038] O inserto de reforço assim obtido pode subsequentemente ser utilizado para reforço de peças, designadamente no domínio da aeronáutica. Para esse efeito, o inserto de reforço pode ser conformado por torcimento em torno de uma peça para turbomáquina, e designadamente em torno de um cárter ou de um disco de turbomáquina. O inserto de reforço é disposto na peça a ser reforçada. A montagem obtida pode subsequentemente ser compactada por compressão isostática a quente, de forma a ser obtida uma peça compósita totalmente compacta. Naturalmente, a invenção não se encontra limitada aos modos de realização descritos com referência às figuras e podem ser concebidas variantes sem divergir do escopo da invenção.
Claims (10)
1. Inserto de reforço compósito caracterizado pelo fato de que comporta: um cordão formado por uma fibra central (1) de material de cerâmica circundada por filamentos (2) de liga metálica enrolados de modo helicoidal ao redor da fibra central (1), uma camada de reforço (3) metálico que recobre o cordão.
2. Inserto de reforço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cordão inclui N filamentos (2) sendo que N é maior ou igual a 6, sendo que N é, de preferência, igual a 7, 19 ou 37 filamentos (2).
3. Inserto de reforço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a fibra central (1) é realizada em carboneto de silício.
4. Inserto de reforço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os filamentos (2) são realizados em uma liga à base de titânio, de níquel ou de alumínio.
5. Inserto de reforço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a camada de reforço (3) é realizada no mesmo material que o material de base dos filamentos (2).
6. Peça de turbomáquina, caracterizada pelo fato de conter um inserto de reforço como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.
7. Método de fabricação de um inserto de reforço compósito a partir de uma fibra central (1) de cerâmica, o método sendo caracterizado pelo fato de que inclui as seguintes etapas: (a) torcer filamentos (2) de liga metálica ao redor da fibra central de modo a formar um cordão; (c) revestir o cordão com uma camada de reforço (3) metálica.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de revestimento inclui uma etapa de passagem do cordão por um banho de metal líquido em fusão por levitação, sendo que o metal líquido em fusão por levitação inclui uma carga do mesmo material que o material de base dos filamentos.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente uma etapa (b) de fixação dos filamentos por pontos de soldagem.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente, entre as etapas (a) e (c), uma etapa de revestimento do cordão por uma camada protetora contra a oxidação.
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