CA2694370C

CA2694370C - Piece mecanique comportant un insert en materiau composite

Info

Publication number: CA2694370C
Application number: CA2694370A
Authority: CA
Inventors: Patrick Dunleavy; Jean-Michel Franchet; Gilles Klein; Richard Masson
Original assignee: Messier Bugatti Dowty SA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran Landing Systems SAS
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2016-10-18
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: BRPI0814322A2; US20100291339A1; RU2490355C2; FR2919283B1; CN101999010B; WO2009034263A2; IL203453A; RU2010107049A; CA2694370A1; CN101999010A; FR2919283A1; JP2010534763A; WO2009034263A3; EP2191029A2; US8920935B2; EP2191029B1

Abstract

L'invention concerne un élément mécanique comprenant au moins un insert en matériau composite à matrice métallique. Dans l'élément mécanique, s'étendent des fibres céramiques, l'insert en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de filaments enrobés comprenant chacun une fibre céramique revêtue d'une gaine métallique, et l'insert étant une partie de l'élément mécanique. De plus dans l'élément mécanique, l'insert présente une géométrie de révolution comprenant deux parties rectilignes, qui sont disposées entre deux parties opposées en forme d'arc, les deux parties en forme d'arc et les deux parties rectilignes s'étendant dans un même plan. Également dans l'élément mécanique, les filaments des parties rectilignes sont tous orientés dans une même direction rectiligne.

Description

Pièce mécanique comportant un insert en matériau composite La présente invention concerne une pièce mécanique comportant un insert en matériau composite du type constitué de fibres céramiques dans une matrice métallique, ainsi qu'un procédé de fabrication de cette pièce mécanique et un dispositif de bobinage conçu pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication. L'invention s'applique à tout type de pièce mécanique dont la fonction est de transmettre un effort de traction et/ou de compression principalement unidirectionnel.
Dans le domaine aéronautique, notamment, un objectif constant est l'optimisation de la résistance des pièces mécaniques pour une masse et un encombrement minimaux. Ainsi, certaines pièces mécaniques peuvent comporter un insert en matériau composite à matrice métallique, de telles pièces pouvant être monoblocs. Un tel matériau composite comporte une matrice d'alliage métallique, par exemple d'alliage de titane Ti, au sein de laquelle s'étendent des fibres, par exemple des fibres céramiques de carbure de silicium SiC. De telles fibres présentent une résistance en traction et en compression bien supérieure à celle du titane. Ce sont donc principalement les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage métallique assurant une fonction de liant avec le reste de la pièce, ainsi que de protection et d'isolation des fibres, qui ne doivent pas entrer en contact les unes avec les autres. En outre, les fibres céramiques sont résistantes à l'érosion, mais doivent nécessairement être renforcées par du métal.
Les matériaux composites tels que décrits ci-dessus sont connus pour être utilisés, dans le domaine aéronautique, pour la fabrication de disques, d'arbres, de corps de vérins, de carters, d'entretoises ou comme renforts de pièces monoblocs telles que des aubes.

2 , Une technique de fabrication de ces pièces est décrite dans le document FR 2886290, représentatif de l'arrière plan technologique de l'invention, dans lequel une des étapes essentielles de fabrication consiste à effectuer un bobinage d'un faisceau ou d'une nappe de fils enduits autour d'une pièce cylindrique circulaire perpendiculairement à l'axe de rotation de celle-ci. Les pièces décrites ainsi obtenues sont de type circulaire et conviennent particulièrement pour la réalisation de pièces circulaires telles que des arbres, des corps de vérins, des carters ou des disques.
Toutefois, certaines pièces mécaniques requièrent des propriétés différentes de celles présentées par les pièces circulaires. C'est le cas notamment des bielles, de forme essentiellement oblongue, dont la fonction est de transmettre un effort de traction et/ou de compression unidirectionnel.
L'invention a notamment pour objet un procédé de fabrication d'une pièce mécanique comportant au moins un insert en matériau composite du type constitué de fibres céramiques dans une matrice métallique capable de transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels entre ses extrémités.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce mécanique comportant au moins un insert en matériau composite à
matrice métallique au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques, l'insert en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique, le procédé comprenant la fabrication d'au moins un insert avec une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits autour d'une pièce cylindrique. Selon l'invention, au moins une partie du bobinage s'effectue selon une direction rectiligne.

3 La pièce mécanique ainsi obtenue, par exemple une bielle, permet avantageusement de transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels.
L'invention se rapporte également à un dispositif de bobinage spécialement conçu pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication selon l'invention.
Selon un aspect, l'invention concerne également un élément mécanique comprenant au moins un insert en matériau composite à matrice métallique, dans lequel s'étendent des fibres céramiques, l'insert en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de filaments enrobés comprenant chacun une fibre céramique revêtue d'une gaine métallique, et l'insert étant une partie de l'élément mécanique;
dans lequel l'insert présente une géométrie de révolution comprenant deux parties rectilignes, qui sont disposées entre deux parties opposées en forme d'arc, les deux parties en forme d'arc et les deux parties rectilignes s'étendant dans un même plan;
et dans lequel les filaments des parties rectilignes sont tous orientés dans une même direction rectiligne.
Selon un autre aspect, l'invention concerne une pièce mécanique de forme allongée avec deux extrémités et un évidement cylindrique à
chaque extrémité, comportant au moins un insert en matériau composite à matrice métallique, au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques, l'insert en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique, dans laquelle l'insert est à géométrie décrivant une structure fermée et dont les fibres céramiques sont en 3a partie orientées selon au moins une direction rectiligne entre les deux évidements cylindriques.
Selon d'autres aspects, l'invention concerne un train d'atterrissage, une turbomachine et un aéronef, chacun comprenant au moins un élément mécanique selon l'invention et tel que décrit ci-dessus ou une pièce mécanique selon l'invention et telle que décrite ci-dessus.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 représente une vue en perspective d'un exemple de pièce mécanique selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d'un exemple de dispositif de bobinage selon l'invention ;
- la figure 3 représente une vue en perspective d'un exemple d'insert obtenu selon le procédé de fabrication de l'invention ;
- la figure 4 représente un exemple d'insert, de conteneur destiné à
accueillir l'insert et de couvercle métallique destiné à recouvrir de manière étanche le conteneur et l'insert ;
- la figure 5 représente une vue en perspective d'un exemple de pièce mécanique obtenue selon le procédé de fabrication de l'invention ;
- la figure 6 représente une variante du procédé de fabrication de l'invention ;
- la figure 7 représente une vue en coupe d'un autre exemple de pièce mécanique obtenue selon la variante du procédé de fabrication de l'invention ; et

4 .=
- la figure 8 représente une vue en perspective de l'exemple de pièce mécanique obtenue selon la variante du procédé de fabrication de l'invention.
Les techniques de fabrication d'une pièce mécanique, comportant un insert en matériau composite, décrites dans le document FR 2886290 sont utilisables dans le cadre de la présente invention. Par exemple, et de manière non limitative, les éléments suivants peuvent être utilisés : la structure des fils enduits, leur fabrication, la fabrication d'une nappe liée de fils enduits, la solidarisation de cette nappe soit sur le support métallique sur lequel elle est enroulée soit à la nappe de couche inférieure, le soudage des fils par laser ou par contact entre deux électrodes, la compaction isostatique à chaud et l'usinage.
La figure 1 représente un exemple de pièce mécanique telle qu'une bielle 1 dont la forme est généralement oblongue, c'est-à-dire de forme allongée. Elle comporte deux extrémités 13 et 14. La fonction d'une bielle 1 est de transmettre un mouvement, et/ou des efforts de traction T et/ou de compression C, entre deux pièces articulées à ses extrémités suivant des axes parallèles Z1 et Z2. La bielle 1 comporte à chacune de ses extrémités 13 et 14 un évidement cylindrique 11 ou 12 dont les axes correspondent aux axes parallèles Z1 et Z2. Ce type de bielle 1 peut être utilisé, par exemple, dans la conception des atterrisseurs ou dans celle des turbomachines comportant des bielles de reprise d'effort de poussée.
La figure 2 représente un exemple de dispositif de bobinage 20 selon l'invention. Dans cet exemple, le dispositif de bobinage 20 est particulièrement adapté pour la réalisation d'un insert pour une pièce mécanique telle qu'une bielle. Ce dispositif de bobinage 20 comporte une pièce cylindrique 2 creuse de forme oblongue jouant le rôle de mandrin et deux flasques 21 et 22 de forme oblongue et sensiblement identiques. La pièce cylindrique 2 est à géométrie de révolution, c'est-à-dire une géométrie décrivant une structure fermée le plus souvent courbe. Les

5 dimensions des flasques 21 et 22 sont supérieures aux dimensions de la pièce cylindrique 2 de sorte que la périphérie 27 de chaque flasque 21 et 22 s'étende au-delà de la périphérie de la pièce cylindrique 2. La pièce cylindrique 2 est prise en sandwich entre les flasques 21 et 22. Les fils 32 s'enroulent sur la pièce cylindrique 2 lorsque le dispositif de bobinage 20 est mis en rotation selon l'axe de bobinage Z. Les fiasques 21 et 22 retiennent axialement les fils enduits 32 et les guident.
Le dispositif de bobinage 20 appartient à un ensemble formant un système de bobinage. Le système de bobinage comprend en outre des moyens pour mettre en rotation le dispositif de bobinage 20 et des moyens de fourniture d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits 32.
La pièce cylindrique 2 comporte deux portions de bobinage rectilignes 24. Ces portions de bobinage rectilignes 24 sont orientées perpendiculairement à l'axe de bobinage Z. Ainsi, au moins une partie du bobinage des fils 32 autour de la pièce cylindrique 2 s'effectue selon une direction rectiligne. Le bobinage des fils enduits 32 s'effectue de manière perpendiculaire à l'axe de bobinage Z, autrement dit, les fils enduits 32 sont sensiblement orientés perpendiculairement à l'axe de bobinage Z.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, ces portions de bobinage rectilignes 24 sont parallèles et intercalées entre deux portions circulaires 25. Il est possible de faire varier les dimensions de la pièce cylindrique 2, notamment son épaisseur selon la direction axiale Z, la longueur des portions de bobinage rectilignes 24 et le rayon de courbure des pièces circulaires 25, en fonction des dimensions de l'insert 3 souhaité. Les

6 pièces circulaires 25 peuvent également comporter des rayons différents.
Ainsi, les portions de bobinages rectilignes 24 peuvent ne pas être parallèles.
Le bobinage autour de la pièce cylindrique 2 comportant des portions de bobinage rectilignes 24 permet de générer en peu de temps un insert 3 comportant au moins une génératrice rectiligne constituée d'un grand nombre de fils enduits 32 parallèles et unidirectionnels.
L'insert 3, une fois bobiné, peut être retiré du dispositif de bobinage 20 en désolidarisant les flasques 21 et 22 l'un de l'autre. La forme de l'insert 3 ainsi formé doit être figée pour éviter que les fils 32 perdent leur orientation. Plusieurs techniques peuvent être mises en oeuvre dans ce but.
Une première technique de maintien en forme de l'insert 3 consiste à
prévoir, en début de bobinage, une étape de bobinage d'un premier clinquant métallique d'accrochage de la partie interne de l'insert 3 et, en fin de bobinage, une étape de bobinage d'un second clinquant 28 métallique d'accrochage de la partie externe de l'insert 3. Dans cet exemple, le premier clinquant métallique constitue la pièce cylindrique 2.
Les fils enduits 32 se trouvent donc ainsi entre les clinquants 2 et 28, comme représenté sur la figure 3.
Par ailleurs, comme illustré sur la figure 2, chaque flasque 21 et 22 comporte des encoches 23 sur sa périphérie 27. Chaque encoche 23 du flasque 21 est disposée en vis-à-vis d'une encoche 23 du flasque 22, formant ainsi une paire d'encoches 23. La fixation des sangles métalliques 31 est facilitée par les dimensions des encoches 23 s'étendant vers l'intérieur des flasques 21 et 22 sur une profondeur d. La profondeur d des encoches 23 doit être telle qu'il soit possible d'accéder à l'intérieur ,

7 creux 29 de la pièce cylindrique 2 laquelle est disposée autour d'un moyeu du dispositif de bobinage 20, non visible sur la figure 2, comprenant une alternance d'encoches et de dents, les encoches du moyeu étant en phase avec les encoches 23 des flasques 21 et 22. La -- profondeur d s'étend au-delà de la surface de bobinage de la pièce cylindrique 2.
Chaque paire d'encoches 23 est destinée à permettre la fixation d'une sangle métallique 31. Les sangles métalliques 31 sont constituées d'un -- matériau métallique identique à celui du conteneur 4, décrit en liaison avec la figure 4, et de la pièce cylindrique 2. Les sangles métalliques 31 sont fixées autour de l'insert 3 par un procédé de soudage par contact.
Les sangles métalliques 31 sont disposées à intervalles réguliers sur l'insert 3 bobiné.
Une fois l'insert 3 bobiné et les sangles métalliques 31 mises en place, celui-ci peut être retiré du dispositif de bobinage 20 en désolidarisant les flasques 21 et 22 l'un de l'autre. Un exemple d'insert 3 ainsi obtenu est représenté en figure 3. Il consiste en une pièce cylindrique de forme -- oblongue comportant deux portions rectilignes 34 et parallèles intercalées entre deux portions circulaires 35.
Une deuxième technique de maintien en forme de l'insert 3, ne nécessitant pas l'utilisation de sangles 31, consiste à prévoir une pièce cylindrique 2 formant un mandrin oblong comportant au moins un rebord radial, par exemple à section transversale en L ou en U, sur lequel s'enroulent les fils 32. Lorsqu'une nappe liée de fils enduits 32 est utilisée, il est possible de la solidariser à la pièce cylindrique 2 sur laquelle elle est -- enroulée et à la nappe de la couche inférieure au moyen d'un procédé par soudage par contact entre deux électrodes et passage d'un courant moyenne fréquence. Les fils 32 sont ainsi soudés au fur et à mesure du

8 bobinage de sorte que, lorsque l'insert 3 est extrait du dispositif de bobinage 20, il forme une pièce solidaire avec la pièce cylindrique 2.
L'insert 3 est ensuite inséré dans un conteneur 4, comme représenté sur la figure 4. Le conteneur 4 comporte à cet effet une rainure 41 de forme complémentaire à l'insert 3 et dans laquelle vient se loger l'insert 3. Le conteneur 4 constitue la préforme de la matrice d'alliage métallique, de préférence en titane Ti. Un couvercle 5 est rapporté sur le conteneur 4 par soudage par faisceau d'électrons, mis sous vide, puis compacté par un procédé de compaction isostatique à chaud.
L'ensemble est ensuite usiné pour obtenir la pièce mécanique 10 finale :
une bielle 10, représentée sur la figure 5. La bielle 10, de forme identique à la bielle 1 de la figure 1, comporte en outre un insert en matériau composite 3, à géométrie de révolution, dont les fils 32 sont en partie orientés selon une direction rectiligne. Cette direction rectiligne est perpendiculaire aux axes Z1 et Z2. Cette bielle 10 permet avantageusement de transmettre les efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels. Les portions rectilignes 34 des inserts 3 comportent des fils tous orientés selon une même direction rectiligne.
L'invention s'applique à tout type de pièce mécanique dont la fonction est de transmettre un effort de traction et/ou de compression principalement unidirectionnel et ne se limite donc pas uniquement aux bielles qui ne constituent qu'un exemple d'application.
Selon une variante de l'invention, la pièce mécanique peut être de forme plus complexe et comporter une pluralité d'inserts 3 pouvant chacun être à géométrie de révolution, c'est-à-dire une géométrie décrivant une structure fermée le plus souvent courbe. Dans l'exemple représenté en figure 6, le procédé de fabrication est modifié en utilisant un conteneur 4

9 comportant de part et d'autre de deux de ses faces opposées 42 des rainures 41 destinées à accueillir des inserts 3. Après compaction isostatique à chaud et usinage, la pièce mécanique 110 obtenue est celle représentée en figure 7 et comporte ainsi des inserts 3. Les inserts 3 sont positionnés de part et d'autre d'un plan médian P1 de la pièce mécanique 110. Ils sont positionnés dans des plans P2 et P3 formant un angle a non nul entre eux. La figure 8 montre, en perspective, une pièce mécanique 110 ainsi obtenue. Cette pièce mécanique 110 peut également comporter des évidements 15 destinés à en diminuer la masse.
De telles pièces mécaniques 10 ou 110 conviennent parfaitement pour les applications aéronautiques, par exemple pour les atterrisseurs ou pour les turbomachines destinés à un aéronef.

Claims

REVENDICATIONS

1. Pièce mécanique de forme allongée avec deux extrémités et un évidement cylindrique à chaque extrémité, comportant au moins un insert en matériau composite à matrice métallique, au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques, l'insert en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique, dans laquelle l'insert est à géométrie décrivant une structure fermée et dont les fibres céramiques sont en partie orientées selon au moins une direction rectiligne entre les deux évidements cylindriques.

2. Pièce mécanique selon la revendication 1, comprenant au moins deux inserts positionnés de part et d'autre d'un plan médian de l'élément mécanique.

3. Pièce mécanique selon la revendication 2, dans laquelle les deux inserts sont disposés dans des plans qui forment un angle l'un avec l'autre.

4. Pièce mécanique selon la revendication 1, dans laquelle l'élément mécanique est un barreau présentant une forme allongée, et dans laquelle une longueur des parties rectilignes dans la direction rectiligne est supérieure à une distance entre les parties rectilignes dans une direction perpendiculaire à la direction rectiligne.

5. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle chacun dudit au moins un insert présente une géométrie comprenant deux parties rectilignes disposées entre deux parties opposées en forme d'arc circulaire.

6. Train d'atterrissage comprenant au moins une pièce mécanique telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.

7. Turbomachine comprenant au moins une pièce mécanique telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.

8. Aéronef comprenant une pièce mécanique telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.