CA2828388C - Procede pour fabriquer une piece metallique de revolution monobloc incorporant un renfort de fibres ceramiques - Google Patents

Abstract

Le procédé pour fabriquer une pièce de révolution monobloc comprend la réalisation d'une ébauche de la pièce autour d'un mandrin cylindrique, l'ébauche comprenant au moins une structure fibreuse formée de fibres composites céramiques enduites de métal, puis le traitement de soudage diffusion de l'ébauche par compaction isostatique à chaud, et l'usinage éventuel de l'ébauche ainsi traitée pour obtenir la pièce. Selon l'invention le procédé est caractérisé par le fait que l'ébauche comprend au moins une première couche (6) de fil métallique entre le mandrin (10) et ladite structure fibreuse (7) composite et au moins une deuxième couche (8) de fil métallique autour de ladite structure fibreuse composite de manière à enrober celle-ci.

Description

PROCEDE POUR FABRIQUER UNE PIECE METALLIQUE DE REVOLUTION
MONOBLOC INCORPORANT UN RENFORT DE FIBRES CERAMIQUES
Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique creuse de révolution, monobloc, telle qu'un arbre de transmission de couple, à partir d'une structure fibreuse composite sous forme de fibres, nappe de fibres, tissu de fibres et analogues, lesdites fibres étant enduites de métal.
Art antérieur Dans le but de répondre aux contraintes permanentes de réduction de consommation spécifique, on cherche à remplacer certaines pièces forgées dans une turbomachine par des pièces plus légères et de structure plus simple.
C'est le cas de l'arbre de transmission de puissance entre l'arbre principal d'un turboréacteur et son boîtier à engrenage d'entraînement des machines accessoires du moteur, désigné par l'acronyme AGB dans le domaine. Il s'agit d'un arbre fin relativement long, de l'ordre du mètre, pour les moteurs de grand diamètre et pour lequel il est nécessaire de prévoir en plus des extrémités un palier intermédiaire assurant son soutien et le passage des modes propres de fréquences vibratoires Ces dernières années ont mis en évidence dans de nombreux domaines techniques, notamment aéronautique, spatial, militaire, automobile, etc...., l'importance des matériaux composites dans la réalisation partielle ou totale de pièces en raison de l'optimisation de la résistance de celles-ci, pour une masse et un encombrement minimaux. Pour rappel, une telle structure fibreuse en 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 bien supérieure à celle du titane (typiquement, 4000 MPa contre MPa). Ce sont donc les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage

2 métallique assurant une fonction de liant pour 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 revêtues de métal.
Ces matériaux composites peuvent être utilisés pour réaliser des pièces de révolution annulaires de turbomachine pour aéronef ou autre application industrielle, comme des bagues, des arbres, des corps de vérin, des carters, des entretoises, des renforts de pièces monolithiques telles des aubes, etc....
Un procédé connu pour fabriquer des pièces de révolution creuses à
structure monobloc consiste à superposer, autour d'un mandrin cylindrique, des structures fibreuses (fibres, nappe de fibres ou tissu de fibres) successives puis à
disposer les structures fibreuses composites enroulées dans un outillage de réception spécifique pour compacter et lier celles-ci par soudage diffusion et obtenir au final la pièce de révolution en matériau composite. Un procédé de fabrication d'une pièce de révolution par drapage d'une nappe de fibres est décrit dans la demande de brevet EP1726 678, au nom de la demanderesse.
Un autre procédé connu consiste à enrouler des fibres céramiques, mais non enduites, autour d'un mandrin en interposant des fils métalliques entre les fibres céramiques. Ce procédé a été breveté par la demanderesse FR 2.713.212 .
Présentation de l'invention La demanderesse s'est fixé comme objectif la mise au point d'un procédé
permettant de réaliser des pièces de révolution dont le diamètre peut être très faible, de l'ordre du diamètre des fils utilisés, mais aussi être élevé en étant limité
seulement par l'encombrement de l'outillage et dont la longueur dépend des seuls moyens utilisés.
C'est ainsi que l'invention a pour objet un procédé pour fabriquer une pièce de révolution monobloc comprenant la réalisation d'une ébauche de la pièce autour d'un mandrin cylindrique, l'ébauche comprenant au moins une structure fibreuse formée de fibres composites céramiques enduites de métal, puis le traitement de soudage diffusion de l'ébauche par compaction isostatique à
chaud,

3 et l'usinage éventuel de l'ébauche ainsi traitée pour obtenir la pièce, et le procédé
est caractérisé par le fait que l'ébauche comprend au moins une première couche de fil métallique entre le mandrin et ladite structure fibreuse composite et au moins une deuxième couche de fil métallique autour de ladite structure fibreuse composite de manière à enrober celle-ci.
Le procédé de l'invention permet ainsi d'obtenir une pièce présentant une raideur suffisante sans augmenter sa masse volumique et dans le cas d'un arbre de transmission de couple tel que celui rapporté plus haut d'augmenter le rapport module d'Young sur masse volumique, de remonter les modes propres de fréquences vibratoires de la pièce et donc éventuellement de réaliser un arbre sans palier intermédiaire.
Avantageusement le mandrin est en deux parties tronconiques séparables l'une de l'autre et formant un diabolo. De cette façon l'ébauche après compaction peut être démoulée sans difficulté. La première couche de fil métallique est de préférence conformée de manière à présenter après compaction de l'ébauche une portion cylindrique formant après usinage la paroi intérieure de la pièce.
La couche de fil métallique peut être formée par enroulement d'un ou plusieurs fils métalliques autour du mandrin.
Le fil métallique est par exemple obtenu par tréfilage et est de même nature que celui qui enduit les fibres composites ; de la sorte on obtient, après passage dans l'outillage, une couche métallique homogène ayant une épaisseur appropriée sur les fibres des structures de renfort.
Le procédé de l'invention présente aussi l'avantage de pouvoir effectuer à
froid, à la température ambiante, les couches superposées de fil métallique et de la structure fibreuse.
Conformément à une autre caractéristique du procédé on dispose les fibres enduites de la structure fibreuse selon une même direction, de préférence la direction axiale de la pièce.
Plus particulièrement, la structure fibreuse composite est formée par enroulement de nappes ou de tissu de fibres composites métalliques.

4 Conformément à une autre caractéristique, on lie au moins en partie les couches entre elles par collage, soudage ou au moyen de clinquants.
Conformément à un mode de réalisation particulier, on forme notamment aux extrémités longitudinales de la pièce, par enroulement de fil métallique, des nervures radiales transversales. Ces nervures transversales peuvent être usinées et former des pignons d'engrenage par exemple. Selon une variante de réalisation, on incorpore dans lesdites nervures transversales un renfort de fibres céramiques.
Par ailleurs, les fils métalliques utilisés peuvent avoir des diamètres différents, et des couches à plusieurs enroulements superposés de ces fils peuvent être prévues en alternance avec les structures fibreuses superposées dont le nombre peut être supérieur à deux.
Brève description des dessins Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 montre schématiquement un exemple de pièce cylindrique que l'on peut obtenir avec le procédé de l'invention ;
La figure 2 montre l'étape de formation de la première couche de fil métallique de l'ébauche de pièce selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 3 montre l'étape de formation de la couche de structure fibreuse en fibres céramiques enduites ;
La figure 4 montre l'étape de formation de la deuxième couche de fil métallique ;
La figure 5 montre schématiquement l'étape de compaction isostatique à
chaud de l'ébauche Les figures 6 et 7 montrent une variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention.

La figure 8 montre une autre variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention pour la réalisation d'une pièce présentant une nervure radiale transversale.

5 Description détaillée de l'invention.
Le procédé a pour but la fabrication d'une pièce de révolution monobloc, annulaire 1, uniquement à partir d'éléments allongés se présentant sous la forme de fils, fibres ou analogues, comme on le verra ci-après. L'invention vise plus particulièrement la formation de pièces de grande longueur par rapport à leur diamètre. La figure 1 montre en coupe longitudinale la pièce creuse cylindrique de paroi 2 métallique, d'axe XX, et incorporant des fibres de renfort 3, en matériau céramique, en une ou plusieurs couches, de préférence toutes les fibres d'une même couche ayant une même orientation telle qu'axiale.
Pour obtenir ce type de pièce, on utilise un mandrin cylindrique 10 d'axe longitudinal X autour duquel on forme la pièce. Le mandrin est de préférence en forme de diabolo, en deux parties tronconiques 10a et 10b qui sont fixées l'une à
l'autre par leur sommet, de manière amovible de façon à pouvoir les séparer l'une de l'autre. Le demi-angle alpha au sommet des deux cônes, exagéré sur la figure, est de l'ordre de 6 à 7 . La forme diabolo a pour but de permettre le démoulage de la pièce après compaction des fils et fibres comme on le verra par la suite. On enroule, dans une première étape, un fil métallique 4 autour du cylindre de manière à former une première couche de fil métallique. Compte tenu de l'application de la pièce 1 au domaine aéronautique, le fil métallique 4 est réalisé
notamment en un alliage de titane de type TiA6V ou Ti6242 assurant résistance thermomécanique et légèreté, et il est obtenu notamment par tréfilage de manière à pouvoir être disponible sous forme de bobine ou de dévidoir duquel est tiré
le fil.
Des moyens autres que le tréfilage sont envisageables.

6 Dimensionnellement, son diamètre dépend de la pièce à obtenir et peut-être de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre à plusieurs millimètres.
Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le fil tréfilé métallique 4 est issu d'une bobine non représentée et est entraîné, de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe X, autour du mandrin cylindrique 10 sur une étendue prédéterminée correspondant à la longueur que l'on souhaite obtenir, après fabrication, pour la pièce de révolution 1, en formant ainsi plusieurs spires jointives, et sur une ou plusieurs épaisseurs superposées de manière à former la première couche de fil métallique 6. On pourrait également utiliser plusieurs fils métalliques ou un ou plusieurs fils métalliques avec un diamètre différent du fil métallique 4. En raison de la conicité du cylindre 10, la première couche a une section longitudinale triangulaire. Une des fonctions de la couche 6 est de combler la partie de démoulage jusqu'au diamètre intérieur de la pièce finie, après son usinage.
Le procédé se poursuit par une deuxième étape montrée sur la figure 3 et consistant à disposer une structure fibreuse composite 7 autour de la première couche 6 de fil métallique 4.
La structure fibreuse composite 7 peut se présenter sous la forme d'un tissu de fibres céramiques enduites 9 associées parallèlement entre elles et réalisées en céramique (SiC) ou en un matériau analogue enduit de métal. Ce dernier et le métal du fil tréfilé sont de préférence de nature identique (en TiA6V
ou en 6242 par exemple) pour optimiser l'étape ultérieure du procédé relative à
l'opération de compaction isostatique à chaud. Le tissu de la structure fibreuse 7 est enroulé autour du bobinage de la première couche 6 de fil métallique 4 de façon que les fibres 9 soient disposées toutes selon la même orientation par exemple et de préférence parallèlement à l'axe longitudinal X du mandrin 10.
Une seule couche du tissu est formée autour de la première couche de fil 4. Bien entendu, un enroulement de plusieurs couches pourrait être prévu à
partir du même tissu, voire à partir d'un ou de plusieurs autres tissus distincts enroulés concentriquement. Les tissus peuvent être de différentes espèces, de différents diamètres de fil enduits. La longueur de la structure fibreuse composite 7 est

7 inférieure ou égale à la longueur de la surface extérieure de la première couche 6 de fil métallique. Il est à noter que la surface extérieure de cette dernière peut être bombée pour tenir compte de la compaction de la couche 6 par le traitement de compression isostatique à chaud. Après ce traitement cette surface doit de préférence être cylindrique droit.
Selon une troisième étape du procédé illustrée en regard de la figure 4, on dispose, autour du tissu de la structure fibreuse composite 7, un fil métallique, par exemple tréfilé, 5 qui provient d'une bobine non représentée et qui est amené
sensiblement orthogonalement à l'axe longitudinal X du mandrin cylindrique rotatif 10. Le fil métallique 5 forme une deuxième couche 8 de spires jointives autour du tissu de la structure fibreuse 7. La deuxième couche 8 peut comprendre un enroulement de plusieurs épaisseurs. Egalement, comme pour la première couche, au lieu de l'enroulement d'un fil métallique, on peut mettre en place une pluralité de fils métalliques ou une nappe de fils métalliques. Lorsqu'on utilise plusieurs fils ceux-ci peuvent être de même diamètre ou de diamètres différents.
Les fils peuvent aussi être des fils métalliques pré-assemblés sous la forme de câbles. Des couches de clinquants peuvent aussi être enroulées avec la deuxième couche. Selon une caractéristique du procédé, le ou les fils métalliques 5 sont enroulés de manière à enrober intégralement les fibres composites de la structure fibreuse 7 sous jacente. Comme on le voit sur la figure 4, en particulier la deuxième couche 8 recouvre la partie de la première couche 6 de fil métallique qui n'est elle-même pas recouverte par la structure fibreuse 7.
On obtient une ébauche E de la pièce de révolution à réaliser, qui est constituée uniquement à partir de fils métalliques 4 et 5 et d'une structure 7 à
fibres composites sous forme individuelle, en nappe, en tissu ou autre.
Puis, comme le montre la figure 5, l'ébauche E est soumise à traitement de compression isostatique à chaud (CIO) dans une presse isotherme ou sous sac dans un autoclave (le choix dépendant notamment du nombre de pièces à
produire). On met en place un système de couvercle sur l'ébauche de forme complémentaire. Comme l'ébauche est cylindrique, le couvercle, en plusieurs parties, forme une enveloppe cylindrique autour de l'ébauche.

8 Sous l'action de la compression exercée (par suite d'une haute pression appliquée selon la flèche F) sous une température élevée appropriée, le métal des fils métalliques et de l'enrobage des fibres des structures devient pâteux et flue supprimant tous les espaces vides entre les spires et couches, puis leur soudage diffusion densifiant au final la pièce.
Dans une variante l'ensemble est placé dans une poche deformable en acier doux laquelle est ensuite introduite dans un autoclave. Cet autoclave est porté à une pression isostatique de 1000 bars et une température de 940 C
(pour le TiA6V), de sorte que la totalité de la poche se déforme en se rétractant par l'évacuation de l'air et s'applique contre le mandrin et le couvercle qui, à
leur tour, compriment sous une pression uniforme les enroulements de fil et fibre jusqu'au fluage du métal les constituant avec liaison par soudage diffusion.
Avantageusement, plusieurs poches peuvent être ainsi introduites dans l'autoclave pour réaliser simultanément les pièces, réduisant les coûts de fabrication.
Ainsi, après arrêt du traitement CIC, refroidissement et démoulage, on usine l'ébauche pour obtenir la pièce de révolution monobloc composite 1, représentée sur la figure 1, qui est réalisée en métal avec en son coeur les fibres formant des inserts de renfort.
L'outillage formé par le mandrin cylindrique 10 et le système de couvercle est de préférence constitué d'un matériau qui permet son utilisation à nouveau pour la fabrication d'une autre pièce. Il s'agit par exemple d'un superalliage qui résiste à la température et à la pression du traitement en conservant son intégrité.
Bien évidemment, la direction d'orientation des fibres pourrait être différente de celle décrite ci-dessus (parallèle à l'axe du mandrin), de même que le choix d'un tissu en tant que structure fibreuse interne n'est nullement obligatoire, tout autre choix pouvant être envisagé. Il convient également de préciser que les étapes d'enroulement des fils et des structures fibreuses s'effectuent à la température ambiante sans avoir recours à une installation complexe.
A titre d'exemples, les fibres composites enduites peuvent être, outre en SiC/Ti comme décrit ci-dessus, en SiC/AI, SiC/SiC, SiC/B, etc....

9 Dimensionnellement, le rayon minimal du mandrin est fonction du diamètre du fil métallique et doit être supérieur à ce dernier. Concernant la longueur de la pièce, elle peut atteindre plusieurs mètres si nécessaire.
Conformément à une variante de mise en oeuvre, représentée sur les figures 6 et 7, on adjoint des flasques 13a et14b au mandrin, du côté des extrémités libres des demi mandrins 10'a et 10'b, de manière à compléter le support de la deuxième couche 8' de fil métallique lorsque celle-ci a un diamètre supérieur à celui du mandrin 10'a, 10'b. L'épaisseur des différentes couches appliquées tient compte de leur foisonnement, en vue du résultat que l'on souhaite obtenir après traitement CIC. Le système de couvercle 12' tel que représenté sur la figure 7 est adapté à la géométrie externe de l'ébauche.
Conformément à une autre variante de réalisation, le procédé de l'invention permet de fabriquer des pièces en forme d'haltère, c'est-à-dire avec des nervures radiales transversales. Il suffit pour les obtenir d'adapter la géométrie de la deuxième couche de manière à former ces nervures. L'épaisseur de cette deuxième couche est augmentée dans ce but à l'endroit souhaité. Ainsi sur la figure 8 on voit un détail de l'ébauche réalisée de cette façon. La deuxième couche 8" de fil métallique est formée par enroulement de fil métallique de manière à présenter une partie formant une nervure transversale 8"a. cette nervure après le traitement CIC forme une nervure radiale transversale sur la pièce. La fonction de cette nervure peut être une bride de fixation terminale ou bien un pignon après usinage de dents radiales.
Dans le but de renforcer encore la résistance mécanique de cette nervure on peut inclure des fibres céramiques 8"h de longueur adaptée à la largeur de la nervure après CIC. Si les fibres de renfort sont orientées transversalement à
l'axe de la pièce alors elles peuvent être mise en place par enroulement comme le sont les fils métalliques. Si l'orientation choisie des fibres de renfort doit être axiale, alors on les mettra en place sous la forme de nappes ou de tissu comme la couche de renfort 7.
On observe que la forme du couvercle 12" est également adaptée à celle de l'ébauche de pièce réalisée sur le mandrin 10".

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour fabriquer une pièce (1) de révolution monobloc comprenant la réalisation d'une ébauche de la pièce autour d'un mandrin cylindrique (10), l'ébauche comprenant au moins une structure fibreuse (7) formée de fibres (9) composites céramiques enduites de métal, puis le traitement de soudage diffusion de l'ébauche par compaction isostatique à chaud, et l'usinage éventuel de l'ébauche ainsi traitée pour obtenir la pièce (1), caractérisé par le fait que l'ébauche comprend au moins une première couche (6) de fil métallique (4) entre le mandrin (10) et ladite structure (7) fibreuse composite et au moins une deuxième couche (8) de fil métallique autour de ladite structure (7) fibreuse composite de manière à enrober celle-ci, le mandrin (10) comprenant deux parties (10a, 10b) tronconiques, séparables l'une de l'autre.

2. Procédé selon la revendication 1 selon lequel la première couche (6) de fil métallique est conformée de manière à présenter après compaction de l'ébauche une portion cylindrique susceptible de former après usinage la paroi intérieure de la pièce.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, la première couche (6) de fil métallique étant formée par enroulement d'un ou plusieurs fils métalliques (4) autour du mandrin (10).

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le fil métallique (4) étant du type obtenu par tréfilage et de même nature que celui qui enduit les fibres composites.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dont la mise en place des différentes couches (6, 7, 8) est effectuée à froid, à la température ambiante.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, selon lequel on dispose les fibres (9) enduites de la structure fibreuse composite selon une même direction.

7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel ladite même direction est la direction axiale de la pièce.

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, selon lequel la structure fibreuse (7) composite est formée par enroulement d'une ou plusieurs nappes ou tissus de fibres composites métalliques parallèles ou bien de fibres individuelles et parallèles successivement disposées autour du mandrin.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, selon lequel on lie au moins en partie les couches entre elles par collage, soudage ou au moyen de clinquants.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel on forme par enroulement de fil métallique des nervures (8"a) radiales transversales.

11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel ladite formation des nervures (8"a) radiales transversales se forme aux extrémités longitudinales de l'ébauche.

12. Procédé selon la revendication 10 ou 11 selon lequel on incorpore dans lesdites nervures transversales un renfort (8"b) de fibres céramiques.