EP1384539A1 - Pièce composite à matrice métallique, et son procédé de fabrication - Google Patents

Pièce composite à matrice métallique, et son procédé de fabrication Download PDF

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EP1384539A1
EP1384539A1 EP03291800A EP03291800A EP1384539A1 EP 1384539 A1 EP1384539 A1 EP 1384539A1 EP 03291800 A EP03291800 A EP 03291800A EP 03291800 A EP03291800 A EP 03291800A EP 1384539 A1 EP1384539 A1 EP 1384539A1
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EP
European Patent Office
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metal matrix
mechanical part
core
metal
reinforcing elements
Prior art date
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EP03291800A
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EP1384539B1 (fr
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Isabelle Peslerbe
Jacques Tschofen
Anne Thenaisie
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Safran Aircraft Engines SAS
Forges de Bologne
Original Assignee
Forges de Bologne
SNECMA Moteurs SA
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/062—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C2204/00—End product comprising different layers, coatings or parts of cermet
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    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12736—Al-base component

Definitions

  • the present invention relates to obtaining a coin having a main direction along which extend a heart zone forming a core and a peripheral zone forming an envelope surrounding said core, said core and said envelope having a metallurgical bond between them, said core being made of a first material having at least one matrix metal and said envelope being made of a second material having at least one metal matrix.
  • the present invention relates to obtaining a mechanical part for which the matrix of the first material and / or the second material aluminum as base metal.
  • the invention relates to a mechanical part used in the sector aeronautics, particularly as a moving or fixed blade of a compressor, especially low pressure, or as a dawn blower ("fan”) of turbojet.
  • the present invention is not intended to be limited to the realization of blades or to be applied only to the sector aeronautics: other types of mechanical parts may be envisaged, in particular in the machine tool sectors or in the automotive sector, such as crankcases, tubes, cylinders or wearing parts in the field of braking.
  • titanium alloys are widely used in This has the disadvantages of significant costs of raw material as well as a weight sometimes still considered too important.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of these techniques of the prior art by proposing a piece mechanics and its manufacturing process using techniques metallurgical simple to implement.
  • the present invention thus relates to a mechanical part with a main direction along which extend a heart zone forming a core and a zone peripheral forming an envelope surrounding said core, said core and said envelope having a metallurgical bond between them, said core being made of a first material having at least one metal matrix and said envelope being made in a second material having at least one metal matrix.
  • said metal matrices of first and second materials have the same base metal and at least one of said first and second materials is formed of a metal matrix composite comprising elements of reinforcement dispersed in said metal matrix.
  • the characteristics of the interface between two materials forming a room, which can therefore be described as complex, are of great importance, especially when at least one of these materials is a metal matrix composite: the identity between the re-entrant base metal in the composition of the first and second materials is in this regard of great importance in obtaining a core and an envelope forming between them a metallurgical bond presenting a great mechanical resistance.
  • this arrangement allows, by the presence of reinforcement elements, in at least one of the first material and the second material, to improve the strength properties mechanical and, possibly, withstand temperature, of the piece in the part that we wish to strengthen, while at the same time density similar to that of the metal matrix.
  • both the first material and the second material (core and shell) is (are) made up of a metal matrix composite comprising elements of reinforcement dispersed in said metal matrix.
  • the composition of the first material is different from that of the second material, at least as far as the proportion of reinforcement elements.
  • a blade consisting of said mechanical part.
  • Such a dawn can belong to a compressor, especially low pressure, whether as a fixed dawn or as dawn mobile.
  • the present invention relates to the manufacturing process which makes it possible, by means of its implementation, to obtain said aforesaid mechanical part.
  • said step a) consists in forming jointly the core and the envelope by the metallurgical technique of powders.
  • this technique which implements the compression of a powder in a matrix, followed by a heat treatment called "sintering", it is thus possible to obtain a metal part forming directly the semi-finished product.
  • This first solution is particularly well adapted to the situation in which one wishes to obtain a mechanical part where said reinforcement elements represent a percentage by weight of the composition of said progressive metal matrix composite in said first material (core) and in said second material (envelope), from the center of said core to the periphery of said envelope, or decreasing from the center, either increasing from the center, entering through example, a minimum of 0% to 10% and a maximum less than or equal to 50% by weight.
  • This second solution is particularly well adapted to situation in which one wishes to obtain a mechanical part where said reinforcing elements are only present in one of the first and second materials, the other of said first and second materials being formed only of said metal matrix.
  • Sub-step a4) of the second solution of step a), consists of preferably rolling or spinning all, that is to say by successive passages, in force and hot, between pairs of cylinders more and more close together or in sectors of section smaller and smaller.
  • this step a) uses a technique performing the compaction, in particular the pressurization between the core and envelope, at the time of their joint formation (first solution), either at the moment of their initial training as a separate parts (second solution), so as to create between materials constituting a metallurgical type connection generating a good interface.
  • forging generally consists of metallurgical operation whose purpose is to convert ingots into shaped blanks by deformation of a metal carried to a temperature where it is sufficiently malleable, the deformation being obtained either by shock (pestle, sheep) or by pressure (presses with closed matrix) between two tools.
  • this forging step consists of stamping or stamping.
  • Other forging possibilities can also be used alone, or in combination with the stamping: press forging, pestle ...
  • the manufacturing method according to the present invention applies to a first material which is formed only of said metal matrix which comprises aluminum as base metal and a second material which is formed of said matrix composite metal comprising said reinforcing elements dispersed in said metal matrix, said metal matrix having aluminum as base metal and said reinforcing elements being formed of silicon carbide particles (SiC): this preferential choice makes it possible to benefit from a very good interaction between an aluminum alloy and SiC particles, as explained in US 6,135,195, for a material whose price is lower than that of titanium.
  • SiC silicon carbide particles
  • step a) the choice of aluminum as base metal allows benefit from its good elongation properties, especially for the forging step and also, in the case of the second solution of step a), during step a4) of passage in a more sectional orifice reduced (rolling or spinning), as well as its good resistance to corrosion.
  • Figure 1 An example of the possible applications of the mechanical part according to the present invention is shown in Figure 1 in the form of a double-flow turbojet engine 100.
  • This turbojet engine 100 comprises a conventional structure which comprises different elements arranged axially around the axis longitudinal 102, in fluid communication with each other, namely in particular a blower 104 and an accelerator 106.
  • turbojet engine includes the others conventional elements of such a structure, namely a compressor high pressure, a combustion chamber, a high pressure turbine and a low pressure turbine, these different additional elements not represented for the sake of clarity.
  • the fan 104 and the accelerator 106 are rotated by the low pressure turbine thanks to the rotor axis 108.
  • the blower 104 comprises a series of blades 110 extending radially mounted on an annular disc 112: only one of these vanes appear in Figure 1. It is understood that the disc 112 and the blades 110 are rotatably mounted about the axis 102 of the motor 100.
  • the motor 100 further comprises a fan casing 114.
  • the accelerator 106 includes several sets of blades 116 in rotation mounted on a disc 118 and between which are mounted series of vanes 120.
  • the present invention relates to obtaining a coin mechanics that can constitute in particular each of the blades 110 of the blower 104 and / or each of the blades 116 and / or vanes 120 of the accelerator 106.
  • the mechanical part according to the present invention can also constitute the blades and / or mobiles of other elements of a turbojet engine, identical or different from that illustrated in FIG. a compressor, in particular a low pressure compressor.
  • the mechanical part according to the present invention can also find application in areas other than that of aeronautics for the formation of structural elements to resist mechanically while having a relatively light structure.
  • an aluminum rod 10 is first formed an aluminum rod 10 by conventional techniques for manufacturing aluminum alloys.
  • the next step is to introduce the rod 10 inside of the sleeve 20 to form an assembly 30: it is clear that at this stage it there is a clearance, or even a space between the outer surface of the rod 10 and the inner surface of the wall of the sleeve 20.
  • the assembly 30 appears to be introduced in the input 40 of a die 42.
  • This input 40 has a shape of truncated cone with an angle at the center ⁇ forming the angle of reduction.
  • This inlet 40 has an upstream diameter greater than the diameter outside the sleeve 20, while the downstream diameter of the inlet 40 has a diameter smaller than the diameter of the rod 10.
  • the assembly 30 is, during the passage in force and at the inlet 40 of the die 42, reduced in section by lengthening, an interface being created between the rod 10 and the sleeve 20 which together form in this way a complex semi-product 32 at the exit 44 of the die 42.
  • the reduction angle ⁇ is equal to 30 °, this reduction angle being able to vary in a general way between 1 ° and 45 ° and preferably between 5 and 35 °.
  • this spinning technique in particular when it is carried out by the successive passage in series dies, allows, by the pressure exerted between the surfaces in contact by friction, good cohesion between the materials constituting the core and the envelope.
  • This embodiment has been realized with a rod 10 having a diameter of 30 mm made of an aluminum alloy of 2024 T4 series, while the sleeve 20 had an outer diameter of 70 mm and an inside diameter of 40 mm being realized in a second material forming a metal matrix composite, the matrix metal alloy being a 2024 T4 series aluminum alloy and the reinforcement being composed of silicon carbide particles of a average size of 5 ⁇ m to 15% by weight.
  • Such spinning can be carried out at room temperature or hot, especially with a temperature of the order of 400 ° C.
  • the subsequent step of the exemplary embodiment described in detail is to perform forging by stamping to give the almost definitive shape of dawn.
  • This mastering is achieved by successive steps in matrices gradually tending to present the final shape of dawn under pressure and temperature conditions adapted to materials to maintain a good interface and good adhesion between the core and the envelope: a temperature of the order of 430 ° C and a pressure of the order of 100 MPa have been used in particular.
  • a blank (not shown) is obtained which is then machined to lead to a finished product forming the mechanical part according to the invention, in particular a blade such as those represented in Figures 3 to 5.
  • the blade 50 which is represented according to different shapes has a core 52 made of the first material initially constituting the rod 10, while the envelope 54 surrounding the core 52 is made in the second material initially forming the sleeve 20 of the assembly 30 of FIG.
  • dawn 50 has a regular distribution of the first material and the second material between the core 52 and the casing 54.
  • the present invention is not limited to the use of reinforcing elements in the form of silicon carbide particles, alumina particles (Al 2 O 3 ) or metal carbides, such as tungsten carbide, tungsten carbide, boron carbide or titanium carbide can also be used.
  • the present invention also applies to the production of a part mechanical made entirely of a metal matrix composite, which has a progressive composition of reinforcing elements from the center of the nucleus to the periphery of the envelope.

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Abstract

La pièce mécanique (50) selon l'invention présente une direction principale le long de laquelle s'étendent une zone de coeur formant un noyau (52) et une zone périphérique formant une enveloppe (54), ledit noyau (52) et ladite enveloppe (54) présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau (52) étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et ladite enveloppe (54) étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique. De façon caractéristique, lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux présentent le même métal de base et l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique. De préférence, cette pièce mécanique est utilisée en tant qu'aube pour une soufflante ou un compresseur basse pression. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne l'obtention d'une pièce mécanique présentant une direction principale le long de laquelle s'étendent une zone de coeur formant un noyau et une zone périphérique formant une enveloppe qui entoure ledit noyau, ledit noyau et ladite enveloppe présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et ladite enveloppe étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique.
Elle concerne plus précisément:
  • une pièce mécanique réalisée avec deux parties formées d'un noyau réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et d'une enveloppe réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique; et
  • un procédé de fabrication qui permet l'obtention, par sa mise en oeuvre, de ladite pièce mécanique précitée.
En particulier, de manière non limitative, la présente invention concerne l'obtention d'une pièce mécanique pour laquelle la matrice métallique du premier matériau et/ou du deuxième matériau présente l'aluminium comme métal de base.
Dans une application préférée, mais non limitative, la présente invention concerne une pièce mécanique utilisée dans le secteur aéronautique, en particulier comme aube mobile ou fixe d'un compresseur, notamment basse pression, ou bien comme aube de soufflante (« fan ») de turboréacteur.
Toutefois, la présente invention n'est pas destinée à être limitée à la réalisation d'aubes ni à n'être appliquée seulement au secteur aéronautique : d'autres types de pièces mécaniques peuvent être envisagées, notamment dans les secteurs des machines-outils ou dans le secteur automobile, comme des carters, des tubes, des cylindres ou des pièces d'usure dans le domaine du freinage.
Spécifiquement, des pièces mécaniques de plus en plus légères et présentant de bonnes caractéristiques de résistance mécanique et de tenue en température sont requises, pour des applications de divers types.
Ainsi, en particulier dans le domaine aéronautique, et plus précisément dans les turboréacteurs, sont recherchés des matériaux avec des caractéristiques de résistance mécanique et de tenue à la température optimales, notamment pour la fabrication des aubes fixes et/ou mobiles.
A l'heure actuelle, les alliages de titane sont largement utilisés à cet effet, ce qui a notamment pour inconvénients des coûts important de matière première ainsi qu'un poids parfois encore considéré comme trop important.
Des solutions visant à la réalisation de pièces creuses en titane permettant d'alléger les structures sont aussi utilisées, ce qui engendre des techniques de fabrication relativement sophistiquées et coûteuses.
On peut se référer au document US 6 218 026 qui propose la réalisation d'une pièce mécanique hybride composée notamment de deux alliages différents de titane respectivement disposés à l'emplacement de parties interne et externe de la pièce. Selon ce document de l'art antérieur, la partie interne et la partie externe sont reliées entre elles par une liaison métallurgique obtenue par pressage isostatique à chaud.
En tout état de cause, on vise à obtenir une pièce mécanique dont le module d'élasticité est plus important dans la partie interne que dans la partie externe afin d'améliorer les propriétés mécaniques de la pièce sans altérer particulièrement sa densité.
Toutefois, l'intervention d'un alliage de titane est par ailleurs préjudiciable du point de vue de la masse de la pièce mécanique et du coût de matière première tandis que la technique de pressage isostatique à chaud est lourde à mettre en oeuvre.
La présente invention a pour objectif de pallier les inconvénients de ces techniques de l'art antérieur en proposant une pièce mécanique et son procédé de fabrication à l'aide de techniques métallurgiques simples à mettre en oeuvre.
Selon un de ses aspects, la présente invention concerne donc une pièce mécanique présentant une direction principale le long de laquelle s'étendent une zone de coeur formant un noyau et une zone périphérique formant une enveloppe qui entoure ledit noyau, ledit noyau et ladite enveloppe présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et ladite enveloppe étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique.
De façon caractéristique, lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux présentent le même métal de base et l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique.
De cette manière, on comprend qu'il est possible d'obtenir une pièce présentant un noyau et une enveloppe entre lesquelles est formée une interface formée d'une liaison physico-chimique de très bonne qualité du fait de la similitude entre les premier et deuxième matériaux qui comportent le même métal de base.
Les caractéristiques de l'interface entre deux matériaux formant une pièce, que l'on peut donc qualifier de complexe, sont d'une grande importance, en particulier lorsque l'un au moins de ces matériaux est un composite à matrice métallique : l'identité entre le métal de base rentrant dans la composition des premier et deuxième matériaux est à cet égard d'une grande importance dans l'obtention d'un noyau et d'une enveloppe formant entre eux une liaison métallurgique présentant une grande résistance mécanique.
En outre, cet agencement permet, par la présence des éléments de renforcement, dans l'un au moins parmi le premier matériau et le deuxième matériau, d'améliorer les propriétés de résistance mécanique et, éventuellement de tenue en température, de la pièce dans la partie que l'on souhaite renforcer, tout en conservant globalement une densité similaire à celle de la matrice métallique.
On note incidemment que selon l'application envisagée pour la pièce mécanique, soit l'un seulement parmi le premier matériau (noyau) et le deuxième matériau (enveloppe), soit à la fois le premier matériau et le deuxième matériau (noyau et enveloppe), est (sont) constitué(s) d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique.
Dans ce dernier cas, la composition du premier matériau est différente de celle du deuxième matériau, au moins en ce qui concerne la proportion des éléments de renforcement.
Les dispositions suivantes sont de préférence adoptées, de manière indépendante ou combinée :
  • ledit métal de base est l'aluminium ;
  • lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux sont respectivement formées d'un premier alliage et d'un deuxième alliage, ledit premier alliage et ledit deuxième alliage appartenant aux alliages à base d'aluminium des séries 2000, 5000, 6000 ou 7000 selon les normes ASTM ; de préférence, ledit premier alliage et ledit deuxième alliage appartiennent à la même série d'alliage à base d'aluminium parmi lesdites séries 2000, 5000, 6000 ou 7000 selon les normes ASTM, en particulier à la série 2000 ;
  • éléments de renforcement sont des particules de carbure de silicium (SiC), d'alumine (Al2O3) ou de carbure métallique tel que carbure de tungstène, de bore ou de titane ;
  • lesdits éléments de renforcement représentent au plus 50% en poids de la composition dudit composite à matrice métallique ; de préférence, lesdits éléments de renforcement représentent entre 5 et 35%, de préférence entre 10 et 20%, et de préférence de l'ordre de 15% en poids de la composition dudit composite à matrice métallique ;
  • l'un parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, l'autre parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé seulement de ladite matrice métallique ;
  • ledit premier matériau est formé seulement de ladite matrice métallique qui comporte l'aluminium comme métal de base et ledit deuxième matériau est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, ladite matrice métallique ayant l'aluminium comme métal de base et lesdits éléments de renforcement étant formés de particules de carbure de silicium (SiC) : ce choix préférentiel permet de bénéficier de la bonne tenue à l'érosion et à l'impact de l'Al/SiC et de sa rigidité plus importante ;
  • lesdits premier et deuxième matériaux sont formés dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, lesdits éléments de renforcement représentant un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique différent dans ledit noyau et dans ladite enveloppe ;
  • lesdits éléments de renforcement représentent un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique progressif dans ledit premier matériau et dans ledit deuxième matériau, depuis le centre dudit noyau vers la périphérie de ladite enveloppe ;
  • ledit premier matériau présente, pour lesdits éléments de renforcement, un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique plus important que dans ledit deuxième matériau;
  • ledit deuxième matériau présente, pour lesdits éléments de renforcement, un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique plus important que dans ledit premier matériau.
Selon une application préférentielle, mais non limitative, de la pièce mécanique selon l'invention, on considère une aube constituée de ladite pièce mécanique.
Une telle aube peut appartenir à un compresseur, en particulier basse pression, que ce soit en tant qu'aube fixe ou en tant qu'aube mobile.
Egalement, une telle aube peut s'appliquer à la réalisation d'une soufflante de turboréacteur.
Selon un autre aspect, la présente invention concerne le procédé de fabrication qui permet l'obtention, par sa mise en oeuvre, de ladite pièce mécanique précitée.
De manière générale, le procédé de fabrication selon la présente invention permet l'obtention d'une pièce mécanique, par la mise en oeuvre des étapes suivantes :
  • a) on réalise par compactage un demi-produit contenant un noyau et une enveloppe, ledit noyau et ladite enveloppe présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et ladite enveloppe étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique, lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux présentant le même métal de base et en l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique,
  • b) on réalise le forgeage du demi-produit pour obtenir une ébauche, et
  • c) on usine ladite ébauche pour aboutir à un produit fini formant ladite pièce mécanique.
    • Concernant la réalisation de l'étape a), plusieurs solutions sont possible sans sortir du cadre de la présente invention.
    Selon une première solution, ladite étape a) consiste à former conjointement le noyau et l'enveloppe par la technique de métallurgie des poudres. Selon cette technique, qui met en ouvre la compression d'une poudre dans une matrice, suivie d'un traitement thermique dit « frittage», il est ainsi possible d'obtenir une pièce métallique formant directement le demi-produit.
    Cette première solution est en particulier bien adaptée à la situation dans laquelle on souhaite obtenir une pièce mécanique où lesdits éléments de renforcement représentent un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique progressif dans ledit premier matériau (noyau) et dans ledit deuxième matériau (enveloppe), depuis le centre dudit noyau vers la périphérie de ladite enveloppe, soit en diminuant depuis le centre, soit en augmentant depuis le centre, entre par exemple, un minimum de 0% à 10% et un maximum inférieur ou égale à 50% en poids.
    Cette première solution ne se limite toutefois pas au cas de figure qui précède et il peut s'appliquer également aux deux cas mentionnés ci-après :
    • lesdits premier et deuxième matériaux sont formés dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, lesdits éléments de renforcement représentant un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique différent dans ledit noyau et dans ladite enveloppe,
    • l'un parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, l'autre parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé seulement de ladite matrice métallique.
    Selon une deuxième solution, ladite étape a) consiste à réaliser successivement les sous-étapes suivantes :
  • a1) former une tige s'étendant selon une direction longitudinale dans ledit premier matériau, ladite tige étant destinée à former ledit noyau placé au coeur de la pièce mécanique ;
  • a2) former un manchon s'étendant selon une direction longitudinale dans ledit deuxième matériau, ledit manchon étant destinée à former l'enveloppe de la pièce mécanique en entourant ledit noyau ;
  • a3) introduire la tige dans le manchon pour former un ensemble, et
  • a4) passer à travers un orifice de section réduite ledit ensemble pour diminuer au moins une dimension dudit ensemble selon une direction perpendiculaire à ladite direction longitudinale et afin de créer une liaison métallurgique entre ladite tige et le dit manchon.
    • Cette deuxième solution est en particulier bien adaptée à la situation dans laquelle on souhaite obtenir une pièce mécanique où lesdits éléments de renforcement ne sont présents que dans l'un parmi lesdits premier et deuxième matériaux, l'autre parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé seulement de ladite matrice métallique. On privilégie alors la réalisation de celui parmi le noyau (premier matériau) et l'enveloppe (deuxième matériau) qui comporte les éléments de renforcement par la technique de métallurgie des poudres.
    La sous-étape a4) de la deuxième solution de l'étape a), consiste à effectuer, de préférence, un laminage ou un filage de l'ensemble, c'est-à-dire par passages successifs, en force et à chaud, entre des paires de cylindres de plus en plus rapprochés ou dans des filières de section de plus en plus petite.
    D'une manière générale, cette étape a) utilise une technique réalisant le compactage, en particulier la mise sous pression entre le noyau et l'enveloppe, soit au moment de leur formation conjointe (première solution), soit au moment de leur formation initiale en tant que pièces séparées (deuxième solution), de manière à créer entre les matériaux les constituant une liaison de type métallurgique engendrant une bonne interface.
    Il est entendu que cette liaison de type métallurgique forme un contact plus intime qu'une liaison mécanique, les premier et deuxième matériaux étant si proches que les forces inter-atomiques entrent en jeu. Une telle interface permettra à la pièce mécanique de résister de manière satisfaisante aux différentes contraintes auxquelles elle est soumise.
    Concernant la réalisation de l'étape b) de forgeage, plusieurs solutions sont possible sans sortir du cadre de la présente invention.
    En effet, le forgeage consiste d'une manière générale en une opération métallurgique qui a pour objet de transformer les lingots en ébauches de forme déterminée par déformation d'un métal porté à une température où il est suffisamment malléable, la déformation étant obtenue soit par choc (pilon, mouton), soit par pression (presses avec matrice fermée) entre deux outils.
    Selon une solution préférentielle, cette étape de forgeage consiste en un matriçage ou estampage. D'autres possibilités de forgeage peuvent également être utilisées seules, ou en combinaison avec le matriçage : forgeage sous presse, par pilon...
    En particulier, le procédé de fabrication selon la présente invention s'applique à un premier matériau qui est formé seulement de ladite matrice métallique qui comporte l'aluminium comme métal de base et à un deuxième matériau qui est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, ladite matrice métallique ayant l'aluminium comme métal de base et lesdits éléments de renforcement étant formés de particules de carbure de silicium (SiC) : ce choix préférentiel permet de bénéficier d'une très bonne interaction entre un alliage d'aluminium et des particules de SiC, comme il est expliqué dans US 6 135 195, pour un matériau dont le prix est plus faible que celui du titane.
    En outre, le choix de l'aluminium comme métal de base permet de bénéficier de ses bonnes propriétés d'allongement, notamment pour l'étape de forgeage et également, dans le cas de la deuxième solution de l'étape a), lors de l'étape a4) de passage dans un orifice de section plus réduite (laminage ou filage), ainsi que de sa bonne tenue à la corrosion.
    L'invention sera mieux comprise, et les caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaítront au cours de la description de modes de réalisation de la pièce mécanique selon l'invention donnée ci-dessous à titre d'exemple.
    Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif.
    Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en section longitudinale partielle d'un turboréacteur double-flux montrant une soufflante et un accélérateur illustrant à titre d'exemple des applications possibles de la pièce mécanique selon la présente invention,
    • la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de l'agencement permettant la réalisation de l'une des étapes du procédé de fabrication selon la présente invention selon l'une des solutions possibles,
    • les figures 3 et 4 sont des vues en perspective d'aubes tronquées à leur extrémité radialement externe qui illustrent des applications possibles de la pièce mécanique selon la présente invention, et
    • la figure 5 est une vue en perspective partielle avec coupe selon la direction longitudinale d'une autre aube pouvant former la pièce mécanique selon la présente invention.
    Un exemple des applications possibles de la pièce mécanique selon la présente invention est représenté à la figure 1 sous la forme d'un turboréacteur double-flux 100.
    Ce turboréacteur 100 comprend une structure conventionnelle qui comporte différents éléments disposés axialement autour de l'axe longitudinal 102, en communication de fluide entre eux, à savoir notamment une soufflante 104 et un accélérateur 106.
    Il est entendu qu'un tel turboréacteur comprend les autres éléments conventionnels d'une telle structure, à savoir un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, ces différents éléments supplémentaires n'étant pas représentés pour des raisons de clarté.
    La soufflante 104 et l'accélérateur 106 sont menés en rotation par la turbine basse pression grâce à l'axe de rotor 108.
    La soufflante 104 comprend une série d'aubes 110 s'étendant radialement qui sont montées sur un disque annulaire 112 : une seule de ces aubes apparaít sur la figure 1. Il est entendu que le disque 112 et les aubes 110 sont montés en rotation autour de l'axe 102 du moteur 100.
    Le moteur 100 comporte en outre un carter de soufflante 114.
    L'accélérateur 106 comprend plusieurs séries d'aubes mobiles 116 en rotation montées sur un disque 118 et entre lesquelles sont montées des séries d'aubes fixes 120.
    La présente invention concerne l'obtention d'une pièce mécanique pouvant constituer en particulier chacune des aubes 110 de la soufflante 104 et/ou chacune des aubes mobiles 116 et/ou des aubes fixes 120 de l'accélérateur 106.
    Egalement, la pièce mécanique selon la présente invention peut également constituer les aubes fixes et/ou mobiles d'autres éléments d'un turboréacteur, identique ou différent de celui illustré sur la figure 1, tel qu'un compresseur, en particulier un compresseur basse pression.
    Comme il a été mentionné précédemment, il convient de rappeler que la pièce mécanique selon la présente invention peut également trouver application dans d'autres domaines que celui de l'aéronautique pour la formation d'éléments structurels devant résister mécaniquement tout en présentant une structure relativement légère.
    Un exemple de réalisation du procédé de fabrication selon la présente invention permettant l'obtention des aubes mentionnées précédemment va maintenant être décrit.
    Dans cet exemple de réalisation non limitatif, on considère la réalisation d'une aube composé d'un noyau réalisé dans un premier matériau formé d'un alliage à base d'aluminium et d'une enveloppe réalisée dans un deuxième matériau formé d'un composite à matrice métallique dans lequel la matrice métallique est un alliage à base d'aluminium et les éléments de renforcement sont des particules de carbure de silicium (SiC).
    Dans ce cas, est tout d'abord formée une tige 10 en aluminium par les techniques classiques de fabrication des alliages en aluminium.
    Est également fabriqué un manchon 20 réalisé dans le deuxième matériau précité formant un composé à matrice métallique qui peut être obtenu par la technique de métallurgie des poudres.
    La prochaine étape consiste à introduire la tige 10 à l'intérieur du manchon 20 afin de former un ensemble 30 : il est clair qu'à ce stade il existe un jeu, voire un espace entre la surface extérieure de la tige 10 et la surface intérieure de la paroi du manchon 20.
    Afin de solidariser entre eux la tige 10 et le manchon 20 de l'ensemble 30, tout en réalisant une bonne interface entre ces deux éléments, on choisit d'effectuer un filage qui est représenté sur la figure 2.
    Sur cette figure 2, l'ensemble 30 apparaít comme étant introduit dans l'entrée 40 d'une filière 42. Cette entrée 40 présente une forme de tronc de cône avec un angle au centre α formant l'angle de réduction. Cette entrée 40 présente un diamètre amont supérieur au diamètre extérieur du manchon 20, tandis que le diamètre aval de l'entrée 40 présente un diamètre inférieur au diamètre de la tige 10.
    En conséquence, l'ensemble 30 est, lors du passage en force et à chaud au niveau de l'entrée 40 de la filière 42, réduit en section par allongement, une interface étant créée entre la tige 10 et le manchon 20 qui forment conjointement de cette manière un demi-produit complexe 32 à la sortie 44 de la filière 42.
    Il est entendu que l'étape de filage illustrée sur la figure 2 peut comporter plusieurs passages successifs dans des filières présentant des diamètres de plus en plus petits.
    Dans l'exemple de réalisation illustré, l'angle de réduction α est égal à 30°, cet angle de réduction pouvant varier d'une manière générale entre 1° et 45° et de préférence entre 5 et 35°.
    De cette manière, on obtient une réduction de section entre l'ensemble 30 et le demi-produit complexe 32 de l'ordre de 10 à 70 % et, de préférence, entre 20 et 60 %.
    On peut relever que cette technique de filage, notamment lorsqu'elle est effectuée par le passage successif dans des filières en série, permet, par la pression exercée entre les surfaces en contact par friction, une bonne cohésion entre les matériaux constituant le noyau et l'enveloppe.
    Cet exemple de réalisation a été réalisé avec une tige 10 présentant un diamètre de 30 mm réalisée dans un alliage d'aluminium de série 2024 T4, tandis que le manchon 20 présentait un diamètre extérieur de 70 mm et un diamètre intérieur de 40 mm en étant réalisé dans un deuxième matériau formant un composite à matrice métallique, la matrice métallique étant un alliage d'aluminium de série 2024 T4 et l'élément de renforcement étant composé de particules de carbure de silicium d'une taille moyenne de 5 µm à hauteur de 15 % en poids.
    Un tel filage peut être effectué à température ambiante ou bien à chaud, en particulier avec une température de l'ordre de 400°C.
    Après le filage, l'étape ultérieure de l'exemple de réalisation décrit de manière détaillée consiste à effectuer un forgeage par matriçage en vue de donner la forme quasi-définitive de l'aube.
    Ce matriçage est réalisé par des étapes successives dans des matrices tendant progressivement à présenter la forme définitive de l'aube dans des conditions de pression et de température adaptées aux matériaux pour maintenir une bonne interface et une bonne adhésion entre le noyau et l'enveloppe : une température de l'ordre de 430°C et une pression de l'ordre de 100 MPa ont notamment été utilisées.
    A l'issue de ces étapes de forgeage par matriçage du demi-produit 32, on obtient une ébauche (non représentée) qui est ensuite usinée pour aboutir à un produit fini formant la pièce mécanique selon l'invention, en particulier une aube telle que celles qui sont représentées sur les figures 3 à 5.
    Sur ces figures, l'aube 50 qui est représentée conformément à différentes formes comporte un noyau 52 réalisé dans le premier matériau constituant initialement la tige 10, tandis que l'enveloppe 54 entourant le noyau 52 est réalisée dans le deuxième matériau formant initialement le manchon 20 de l'ensemble 30 de la figure 2.
    Comme on peut le voir sur les parties en coupe transversale des figures 3 et 4 ainsi que sur la zone en coupe longitudinale de la figure 5, l'aube 50 présente une régularité de répartition du premier matériau et du deuxième matériau entre le noyau 52 et l'enveloppe 54.
    Ce résultat très satisfaisant est obtenu, contre toute attente, par des techniques relativement simples à mettre en oeuvre, ce qui génère des propriétés mécaniques homogènes, notamment dans les différentes parties du voile 50a de l'aube, ainsi qu'une continuité entre les propriétés mécaniques de l'aube entre la voile 50a et le pied 50b de l'aube (voir figure 5).
    Dans cet exemple de réalisation, on comprend qu'on a placé l'alliage en aluminium dans la partie centrale de l'aube, ce qui permet de bénéficier des propriétés de flexion de l'aluminium alors qu'en surface, le composite à matrice métallique Al/SiC permet une plus grande rigidité et une meilleure tenue à l'impact et à l'érosion.
    Il est bien entendu que, selon l'application à laquelle est destinée la pièce mécanique obtenue selon la présente invention, notamment de la partie requérant la rigidité la plus importante, on peut choisir de placer le composite à matrice métallique Al/SiC dans le noyau (au coeur de la pièce mécanique) ou bien dans l'enveloppe (en surface de la pièce mécanique).
    La présente invention n'est pas limitée à l'utilisation d'éléments de renforcement sous la forme de particules de carbure de silicium, des particules d'alumine (Al2O3) ou des carbures métalliques, tels que le carbure de tungstène, le carbure de tungstène, le carbure de bore ou le carbure de titane, pouvant également être utilisés.
    Egalement, comme il a été exposé dans la partie d'introduction, la présente invention s'applique également à la réalisation d'une pièce mécanique réalisée entièrement en un composite à matrice métallique, lequel présente une composition progressive en éléments de renforcement depuis le centre du noyau vers la périphérie de l'enveloppe.

    Claims (21)

    1. Pièce mécanique (50, 110) présentant une direction principale le long de laquelle s'étendent une zone de coeur formant un noyau (52) et une zone périphérique formant une enveloppe (54) qui entoure ledit noyau (52), ledit noyau (52) et ladite enveloppe (54) présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau (52) étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et ladite enveloppe (54) étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique, caractérisée en ce que lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux présentent le même métal de base et en ce que l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique.
    2. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit métal de base est l'aluminium.
    3. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux sont respectivement formées d'un premier alliage et d'un deuxième alliage, ledit premier alliage et ledit deuxième alliage appartenant aux alliages à base d'aluminium des séries 2000, 5000, 6000 ou 7000 selon les normes ASTM.
    4. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit premier alliage et ledit deuxième alliage appartiennent à la même série d'alliage à base d'aluminium parmi lesdites séries 2000, 5000, 6000 ou 7000 selon les normes ASTM, en particulier à la série 2000.
    5. Pièce mécanique (50, 110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits éléments de renforcement sont des particules de carbure de silicium (SiC), d'alumine (Al2O3) ou de carbure métallique tel que carbure de tungstène, de bore ou de titane.
    6. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits éléments de renforcement représentent au plus 50% en poids de la composition dudit composite à matrice métallique.
    7. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits éléments de renforcement représentent entre 5 et 35%, de préférence entre 10 et 20%, et de préférence de l'ordre de 15% en poids de la composition dudit composite à matrice métallique.
    8. Pièce mécanique (50, 110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'un parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, l'autre parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé seulement de ladite matrice métallique.
    9. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit premier matériau est formé seulement de ladite matrice métallique qui comporte l'aluminium comme métal de base et en ce que ledit deuxième matériau est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, ladite matrice métallique ayant l'aluminium comme métal de base et lesdits éléments de renforcement étant formés de particules de carbure de silicium (SiC).
    10. Pièce mécanique (50, 110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdits premier et deuxième matériaux sont formés dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, lesdits éléments de renforcement représentant un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique différent dans ledit noyau (52) et dans ladite enveloppe (54).
    11. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits éléments de renforcement représentent un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique progressif dans ledit premier matériau et dans ledit deuxième matériau, depuis le centre dudit noyau (52) vers la périphérie de ladite enveloppe (54).
    12. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que ledit premier matériau présente, pour lesdits éléments de renforcement, un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique plus important que dans ledit deuxième matériau.
    13. Pièce mécanique (50, 110) selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que ledit deuxième matériau présente, pour lesdits éléments de renforcement, un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique plus important que dans ledit premier matériau.
    14. Aube (50, 110) constituée d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
    15. Compresseur basse pression comprenant des aubes fixes et/ou mobiles selon la revendication 14.
    16. Soufflante (104) de turboréacteur comprenant des aubes (110) selon la revendication 14.
    17. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (50, 110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte successivement les étapes suivantes :
      a) on réalise par compactage un demi-produit contenant un noyau (52) et une enveloppe (54), ledit noyau (52) et ladite enveloppe (54) présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau (52) étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et ladite enveloppe (54) étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique, lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux présentant le même métal de base et l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique,
      b) on réalise le forgeage du demi-produit pour obtenir une ébauche, et
      c) on usine ladite ébauche pour aboutir à un produit fini formant ladite pièce mécanique .
    18. Procédé de fabrication selon la revendication 17 en vue de l'obtention d'une pièce mécanique selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite étape a) consiste à former conjointement le noyau (52) et l'enveloppe (54) par la technique de métallurgie des poudres.
    19. Procédé de fabrication selon la revendication 17 en vue de l'obtention d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite étape a) consiste à réaliser successivement les sous-étapes suivantes :
      a1) former une tige (10) s'étendant selon une direction longitudinale dans ledit premier matériau, ladite tige (10) étant destinée à former ledit noyau (52) placé au coeur de la pièce mécanique ;
      a2) former un manchon (20) s'étendant selon une direction longitudinale dans ledit deuxième matériau, ledit manchon (20) étant destinée à former l'enveloppe (54) de la pièce mécanique en entourant ledit noyau (52) ;
      a3) introduire la tige (10) dans le manchon (20) pour former un ensemble (30), et
      a4) passer à travers un orifice de section réduite ledit ensemble (30) pour diminuer au moins une dimension dudit ensemble selon une direction perpendiculaire à ladite direction longitudinale et afin de créer une liaison métallurgique entre ladite tige (10) et le dit manchon (20).
    20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que ladite sous-étape a4) consister à effectuer un laminage ou un filage.
    21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que ladite étape b) consister à effectuer un matriçage.
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