CA2764774C - Procede de fabrication d'une piece metallique incorporant un renfort annulaire fibreux - Google Patents

Abstract

Renforcement d'une pièce métallique annulaire axisymétrique par inclusion d'un bobinage en matériau composite. Selon l'invention, on élabore une ébauche métallique (11) de la pièce, on y crée une cavité (14) ouvrant sur une face intérieure coaxiale de celle-ci et présentant une section transversale droite de longueur axiale décroissante de l'intérieur vers l'extérieur, on enroule un fil de renfort (21) dans la cavité, on ferme cette cavité, on soumet l'ensemble à une compression isostatique à chaud et on usine l'ébauche pour obtenir la pièce finale.

Description

Procédé de fabrication d'une pièce métallique incorporant un renfort annulaire fibreux L'invention se rapporte à une pièce métallique présentant une partie annulaire englobant un renfort annulaire coaxial fibreux, sous forme d'une bobine en matériau composite englobée dans une matrice métallique. L'invention concerne plus particulièrement la fabrication d'une telle pièce bénéficiant d'une résistance améliorée. Elle concerne également une pièce métallique renfermant un tel renfort annulaire coaxial.
Il est connu de réduire la masse d'une pièce métallique annulaire tout en lui assurant une résistance très importante en traction ou compression tangentielle, en incorporant des fibres de matériau composite comme par exemple en céramique dans la masse métallique.
La céramique est par exemple du carbure de silicium en fil qui présente une résistance à la traction ou à la compression supérieure à celle d'un métal, comme le titane par exemple.
Pour obtenir une telle pièce, on peut réaliser un bobinage de fil de céramique enduit de métal à l'intérieur d'une ébauche de la pièce. Par exemple, le document FR 2 886 290 propose de réaliser le bobinage directement sur une partie de l'ébauche formant mandrin de bobinage. Il s'agit donc d'un bobinage "externe" des plus classiques. Plus précisément, cette partie comporte deux épaulements. L'épaulement le plus interne radialement forme une surface d'appui latérale pour le bobinage. La partie cylindrique adjacente forme la surface de base sur laquelle on réalise le bobinage. Celui-ci a une forme rectangulaire en section transversale droite. Après bobinage, on complète l'ébauche par des parties métalliques complémentaires, notamment un anneau extérieur et un couvercle latéral présentant un tenon venant au contact du bobinage. Cet ensemble est ensuite soumis à une étape de compression isostatique à chaud au cours de laquelle le couvercle, notamment, est déformé en sorte que le bobinage soit comprimé par le tenon. L'opération de compression isostatique à chaud est connue en soi ; elle consiste à placer l'ensemble précité dans un caisson et à soumettre cet ensemble, pendant plusieurs heures, à une pression élevée de l'ordre de 1 000 bars et à une tempéra-ture de l'ordre de 1 000 C. Après cette opération, la pièce, d'un seul bloc,

2 est usinée à la forme et aux dimensions souhaitées. Généralement, les différentes parties de l'ébauche et le gainage du fil de céramique sont du même métal en sorte que la pièce finie se trouve pourvue d'un insert composite bobiné, noyé dans une matrice métallique homogène.
La zone renforcée par le bobinage a une section transversale droite globalement rectangulaire. Pour alléger la pièce et augmenter la résistance à la traction/compression dans le sens tangentiel, il est souhaitable que cette zone renforcée, entourée de parties exclusivement métalliques, occupe un volume aussi important que possible.
Cet agencement à insert de section droite rectangulaire peut ne pas être complètement satisfaisant suivant la direction des efforts qui sont appliqués à la pièce. Alors que la résistance des fibres est excellente tangentiellement tant à la traction qu'à la compression, elle est inférieure à celle du métal pur lorsque les efforts sont appliqués dans un sens transverse aux fibres. A titre d'exemples, c'est particulièrement le cas lorsque la pièce annulaire ainsi fabriquée est une pièce tournante munie d'aubes, comme un disque de turbine, notamment pour un turboréacteur d'avion. Une autre pièce soumise à des efforts transversaux est le "manchon tournant" relié à des vérins dans un mécanisme d'atterrisseur.
Avec une pièce munie d'un bobinage à section transversale droite rectangulaire, des ruptures sont possibles dans la partie extérieure de la zone renforcée.
L'idée de base de l'invention consiste à établir une "zone de progressivité" en métal pur dans cette région radiale externe, latéralement entre la périphérie et la zone où se trouvent les spires. Ceci conduit, selon l'invention, à conformer le bobinage de façon que celui-ci présente une section transversale droite de longueur axiale décroissant radialement vers l'extérieur au moins dans une zone radiale extérieure de la pièce axisymé-trique.
Par exemple, une partie bobinée ayant une section transversale en forme de trapèze ou de triangle au moins dans sa partie radialement la plus extérieure est susceptible de répondre aux données du problème.
Une forme en demi-onde peut aussi être envisagée pourvu que la proportion de métal pur augmente radialement vers l'extérieur de la pièce, toutes choses égales par ailleurs.

3 PCT/FR2010/051179 Une autre difficulté est alors de réaliser la pièce car le bobinage "externe" tel que décrit ci-dessus est difficile à envisager. L'invention propose aussi une nouvelle approche du bobinage, dit "bobinage interne".
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique annulaire axisymétrique renforcée par inclusion dans celle-ci d'un renfort annulaire coaxial sous forme de bobine en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à.
- élaborer une ébauche métallique annulaire de ladite pièce, - pratiquer ou achever une cavité ouvrant sur une face intérieure coaxiale de ladite ébauche et présentant une section transversale droite de longueur axiale décroissant radialement vers l'extérieur sur au moins une partie de sa hauteur, - enrouler un fil de renfort dans ladite cavité de façon à remplir sensiblement tout l'espace de celle-ci par une bobine, - fermer ladite cavité par un élément de paroi métallique, - soumettre l'ensemble à un processus de compression isostatique à chaud, et - usiner ladite ébauche pour obtenir la géométrie finale de ladite pièce.
On entend par "section transversale droite", une section dans un plan contenant l'axe de la pièce axisymétrique considérée, plus précisément l'axe de l'ébauche dans la définition qui précède.
Selon une caractéristique avantageuse, le fil de renfort est composé d'une âme en céramique, gainée de métal.
La forme du bobinage ainsi obtenu, c'est-à-dire, in fine, la forme de la zone munie de fibres de céramique permet de réserver radialement vers l'extérieur de ladite zone et de part et d'autre de celle-ci des masses plus importantes de métal pur (titane par exemple) permettant à un effort essentiellement radial de se transférer "progressivement" dans les fibres suivant des directions le transformant en effort de plus en plus orienté
tangentiellement.
On peut stabiliser la bobine au cours de sa formation par des soudures réunissant certaines spires entre elles par leur gaine de métal, Pour procéder au bobinage dit "interne" on amorce le bobinage du fil de renfort en fixant une extrémité de celui-ci au fond de la cavité et

4 on poursuit le bobinage en faisant tourner l'ébauche autour de son axe tout en alimentant le fil à une vitesse contrôlée par rapport à la vitesse de rotation de l'ébauche.
Avantageusement, la vitesse d'alimentation du fil est telle qu'il sollicite ladite ébauche dans le sens de rotation de celle-ci.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre illustrant un procédé de fabrication d'une pièce métallique annulaire axisymétrique renforcée par un bobinage coaxial, donnée uniquement à
titre d'exemples et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels - les figures 1, 2, 3A et 4 à 6 illustrent par des vues en coupe transversale droite les différentes étapes du procédé de fabrication d'une pièce métallique annulaire axisymétrique renforcée par bobinage d'un fil de renfort ;
- la figure 3B est une vue partielle en perspective illustrant la phase de la figure 3A ; et - la figure 7 représente la pièce ainsi obtenue.
En se reportant aux dessins, on va décrire un procédé
permettant de réaliser une pièce annulaire telle qu'un disque de rotor, à
partir d'une ébauche métallique 11, par exemple en titane, elle-même annulaire et axisymétrique, ici à section transversale droite rectangulaire, comme représenté sur la figure 1. L'axe de révolution de l'ébauche est référencé X.
Bien entendu, cette section peut avoir une forme différente en fonction de la géométrie de la pièce finale que l'on désire obtenir.
L'ébauche comporte une face intérieure coaxiale 12, ici cylindrique.
Il s'agit à la fois d'alléger ladite pièce finale tout en lui conférant une résistance mécanique accrue.
Après l'élaboration d'une telle ébauche, l'étape suivante (figure 2) consiste à pratiquer, dans la masse de l'ébauche, par exemple par usinage, une cavité 14 ouvrant (débouchant) sur ladite face intérieure coaxiale 12. On peut par exemple faire tourner l'ébauche autour de l'axe X
et introduire un outil de coupe par la partie centrale, accessible, de ladite ébauche. On enlève de la matière jusqu'à obtenir une cavité annulaire ouvrant sur ladite face intérieure coaxiale de l'ébauche. Il est à noter qu'on peut partir d'une ébauche déjà creuse, l'opération d'usinage consistant simplement à achever la cavité pour lui donner la forme et les dimensions voulues.
Selon une caractéristique importante, la cavité 14 présente une

5 section transversale droite de longueur axiale décroissant radialement vers l'extérieur sur au moins une partie de sa hauteur. Dans l'exemple, la cavité a (selon une section transversale droite et suivant une direction radiale de l'intérieur vers l'extérieur) une forme rectangulaire 15 prolongée par une forme trapézoïdale 16. Cette seconde partie de la cavité pourrait avoir une forme triangulaire ou toute autre forme dont la longueur axiale (selon l'axe X) décroît de l'intérieur vers l'extérieur.
Il en résulte une réserve de métal pur dans les zones latérales 17, 18 indiquées en pointillé, par rapport à ce qui serait obtenu si la cavité
avait une section transversale droite rectangulaire.
L'opération suivante consiste à enrouler in situ un fil de renfort 21, ici en céramique (carbure de silicium) enrobé de métal. Le métal est ici du titane, c'est-à-dire le même métal que celui qui constitue l'ébauche.
Cette opération, illustrée à la figure 3A, s'effectue en introduisant le fil par l'ouverture de la cavité et en le déposant à partir du fond cylindrique 23 de la cavité par spires adjacentes puis par couches successives de spires jusqu'à remplir entièrement tout l'espace de la cavité, par une bobine de spires jointives 25.
Pour le bobinage, on peut procéder ainsi. On alimente le fil via un guide tubulaire rigide 27 déplaçable de façon contrôlée parallèlement à
l'axe X (pour former une couche) et radialement en retrait (pour élaborer les couches successives suivantes). Le guide 27 est orienté comme représenté sur les figures 3A et 3B, c'est-à-dire que son extrémité 27A fait un angle faible par rapport à la direction circonférentielle d'enroulement des spires.
On amorce le bobinage du fil 21 en fixant (par soudure) une extrémité de celui-ci à la paroi de fond cylindrique 23 de la cavité, près d'une extrémité de celle-ci et on fait tourner l'ébauche 1l autour de son axe X, et en alimentant le fil à une vitesse contrôlée par rapport à la vitesse de rotation de l'ébauche. On peut par exemple ajuster en permanence la vitesse à laquelle le fil 21 est amené, pour que cette vitesse soit toujours sensiblement égale à la vitesse d'enroulement,

6 compte tenu de la vitesse de rotation de l'ébauche et du diamètre de la couche de spires en cours de bobinage.
On pourra aussi faire en sorte que la vitesse d'alimentation du fil soit telle qu'il sollicite l'ébauche dans le sens de rotation de celle-ci. Par exemple, le fil 21 pourra être poussé à l'intérieur du guide 27 par un système d'entraînement à galets rotatifs moteurs (non représenté) avec possibilité de glissement longitudinal en sorte que ledit fil soit en légère compression entre sa sortie du guide 27 et le point où il prend sa place dans le bobinage. On peut même envisager que l'ébauche 11 soit montée en rotation libre et que ce soit la sollicitation exercée sur le fil lui-même qui l'entraîne en rotation pendant le bobinage.
Pour éviter le foisonnement, les spires sont stabilisées à
intervalles de bobinage donnés, par des points ou lignes de soudure joignant les gaines métalliques de certaines spires.
De façon connue en soi, la soudure peut être une soudure électrique ou par induction, sous vide ou sous atmosphère neutre d'argon.
Un processus de soudure tel que décrit dans FR 2 886 290 peut être mis en oeuvre.
L'opération suivante, figure 4, consiste à refermer la cavité 14 remplie par la bobine 25. Par exemple, on met en place une paroi annulaire cylindrique métallique 30, ici en titane, en regard de l'ouverture de la cavité. Cette paroi a ici la même longueur que la longueur axiale de l'ouverture en sorte que pendant la compression isostatique à chaud, elle pourra en se déformant radialement vers l'extérieur pénétrer dans la cavité, en compactant le bobinage lui-même. On peut dimensionner la paroi annulaire cylindrique 30 en faisant en sorte que son diamètre soit légèrement supérieur à celui de l'ouverture centrale de l'ébauche mais en portant cette paroi annulaire à basse température (en la plongeant dans de l'azote liquide par exemple) avant de la mettre en place. Ainsi, même avant le début de l'opération de compression isostatique à chaud, la paroi annulaire 30 s'engage dans la cavité en commençant à compacter le bobinage.
Avantageusement, la fermeture de ladite cavité comprend sa mise sous vide avec fermeture hermétique par une feuille métallique 32 soudée. Cette feuille métallique est soudée de part et d'autre de

7 l'ouverture de la cavité, avant l'opération de compression isostatique à
chaud.
On procède ensuite à l'opération de compression isostatique à
chaud proprement dite, consistant, par exemple, à placer l'ébauche, modifiée comme représente figure 4, dans un caisson pendant plusieurs heures en portant la pression à 1 000 bars et la température à 1 000 C, environ.
Le résultat est représenté figure 5. On voit que la paroi annulaire 30 s'est engagée dans la cavité, entraînant la feuille métallique 32. L'ensemble ne forme plus qu'un seul bloc avec une grande partie du volume occupé par un bobinage de fil en céramique à haute résistance, noyé dans une matrice métallique résultant de la fusion de la gaine métallique du fil utilisé pendant le bobinage.
On procède ensuite à une succession d'usinages (figure 6) ayant pour but, à partir de l'ébauche transformée par l'opération de compression isostatique à chaud de définir le contour 35 de la pièce voulue (représenté
en pointillé sur la figure 6). La pièce finale 36 de la figure 7 comporte des zones latérales externes (17a, 18a) purement métalliques, permettant d'augmenter la résistance mécanique transversale de la pièce et de limiter localement les sauts de raideur favorisant les ruptures. Ces zones dites "de progressivité" ont pour effet de faire rentrer les efforts progressivement, par cisaillement, dans le renfort fibreux (le bobinage) afin de convertir les efforts en traction/ compression circonférentielle pour lesquels la résistance de la zone bobinée est optimale.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une pièce métallique annulaire axisymétrique renforcée par inclusion dans celle-ci d'un renfort annulaire coaxial sous forme de bobine en matériau composite, comprenant les étapes consistant à :
- élaborer une ébauche métallique annulaire (11) de ladite pièce, - pratiquer ou achever une cavité (14) ouvrant sur une face intérieure coaxiale de ladite ébauche et présentant une section transversale droite de longueur axiale décroissant radialement vers l'extérieur sur au moins une partie de sa hauteur, - enrouler un fil de renfort (21) dans ladite cavité de façon à
remplir sensiblement tout l'espace de celle-ci par une bobine, - fermer ladite cavité en mettant en place une paroi cylindrique métallique (30) en regard de l'ouverture de ladite cavité, puis, - soumettre l'ensemble à un processus de compression isostatique à chaud, et - usiner ladite ébauche pour obtenir la géométrie finale de ladite pièce.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit fil de renfort (21) est composé d'une âme en matériau composite, gainée de métal et dans lequel on stabilise la bobine en cours de formation par des soudures réunissant certaines spires entre elles par leur gaine de métal.

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le matériau composite est de la céramique.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on amorce le bobinage du fil de renfort en fixant une extrémité de celui-ci au fond (23) de la cavité et dans lequel on poursuit le bobinage en faisant tourner ladite ébauche autour de son axe (X) en alimentant le fil à une vitesse contrôlée par rapport à la vitesse de rotation de l'ébauche.

5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la vitesse d'alimentation du fil (21) est telle qu'il sollicite ladite ébauche dans le sens de rotation de celle-ci.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on conforme ladite cavité ouverte de façon à lui donner une section transversale au moins en partie triangulaire ou trapézoïdale (16), au moins dans la partie radiale la plus externe de celle-ci.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape de fermer ladite cavité comprend en outre une mise sous vide de ladite cavité avec fermeture hermétique par une feuille métallique (32) soudée de part et d'autre de l'ouverture de ladite cavité, avant le processus de compression isostatique à chaud.