EP2504462A1 - Procédé de fabrication d'une pièce métallique composite à renforts internes en fibres, préforme de mise en oeuvre et pièce métallique obtenue - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce métallique composite à renforts internes en fibres, préforme de mise en oeuvre et pièce métallique obtenue

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EP2504462A1
EP2504462A1 EP10784770A EP10784770A EP2504462A1 EP 2504462 A1 EP2504462 A1 EP 2504462A1 EP 10784770 A EP10784770 A EP 10784770A EP 10784770 A EP10784770 A EP 10784770A EP 2504462 A1 EP2504462 A1 EP 2504462A1
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EP
European Patent Office
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insert
container
cavity
lid
preform
Prior art date
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EP10784770A
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German (de)
English (en)
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EP2504462B1 (fr
Inventor
Richard Masson
Patrick Dunleavy
Jean-Michel Franchet
Gilles Klein
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran Landing Systems SAS
Original Assignee
Messier Bugatti Dowty SA
SNECMA SAS
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C47/20—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by subjecting to pressure and heat an assembly comprising at least one metal layer or sheet and one layer of fibres or filaments
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49801—Shaping fiber or fibered material

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing composite metal parts by incorporating internal reinforcements formed of fibers, in particular ceramic fibers, and also relates to the preform used during the implementation of the method as well as the composite metal part obtained.
  • the invention relates to the field of metal matrix composite materials, abbreviated CMM.
  • Ceramic fibers in particular SiC silicon carbide fibers, are in particular used for high-tech high-temperature applications that require the fields of aviation or aerospace or in the field of safety, for example for braking (ceramic brakes).
  • a known method of manufacturing such parts with reinforcement comprises the formation of a coil of son coated around a mandrel.
  • the coil is then incorporated into a metal container or main body in which a cavity has been pre-machined to form a housing for the insert.
  • the depth of the cavity is greater than the height of the coil and is shaped to insert a cover pin.
  • the lid is vacuum welded at the periphery of the cavity to ensure the seal during the hot isostatic compaction step, during which the cover is deformed and the winding is compressed by the tenon.
  • the hot isostatic compaction technique consists of placing the part in a chamber where it is subjected to a high pressure, of the order of 1000 bar, and at a temperature which is also high, of the order of 1000.degree. hours.
  • the inter-son voids coated creep disappear, the metal sheaths of the coated son are welded together and with the walls of the cavity, by diffusion bonding, to form a dense set composed of a metal alloy to within which the ceramic fibers extend. The resulting part is then machined to the desired shape.
  • the method allows the manufacture of axisymmetric aeronautical parts, such as rotor discs or monobloc blade discs, but also non-axisymmetric, such as connecting rods, shafts, cylinder bodies, housings.
  • axisymmetric aeronautical parts such as rotor discs or monobloc blade discs
  • non-axisymmetric such as connecting rods, shafts, cylinder bodies, housings.
  • the machining of the cavity in the main body is a difficult operation to achieve especially because of the small connection radii in the bottom of the cavity between the bottom surface and the side walls. This small radius of connection is necessary to allow housing, with a game as low as possible, the insert which has a rectangular section and which is formed of son of small rays. Machining the corresponding post in the cover is not easy either because of the non-opening angles and because it must have a shape perfectly complementary to the cavity.
  • the machining of the main body of the container with its lid represents a significant fraction of the total cost of the parts.
  • the applicant has developed a manufacturing process in which wherein the cavity houses a rectilinear insert and the lid whose dimensions are adjusted to allow positioning on this insert.
  • the sealing of the cavity is then ensured by shrinking by reducing the dimensions of the cold cover, for example by diving in liquid nitrogen, and then expanding in the cavity so as to achieve a tight fit.
  • the solution thus provides a seal that simplifies the shape of the cavity.
  • This operation consists in subjecting the container - insert - lid assembly to a double cycle of temperature rise and pressure.
  • the pressure is exerted by a gaseous fluid of compaction, generally argon.
  • the invention proposes a pre-welding treatment of the lid on the container prior to the compaction phase.
  • the subject of the present invention is a process for manufacturing composite metal parts by incorporating internal reinforcements formed of fibers, comprising the steps of machining in a metal body or container of at least one housing cavity for an insert of corresponding form comprising reinforcing fibers for introducing a lid on the insert into the cavity of the container, the lid having walls held in pressure against the walls of the facing container, the hot isostatic compaction cycle of the container assembly - insert - cover, and machining said assembly to obtain said part.
  • This step of pressurizing the lid against the container is then continued by a pre-diffusion diffusion heat treatment consisting of a rise and a temperature maintenance of the container-insert-lid assembly solidarisant the lid and the container.
  • the isostatic compaction is optimized and no longer requires external closure of the container by the lid with a specific weld, which leads to a reduction in costs, while ensuring quality compaction due to the absence of gas leakage in the insert by internal presoldering.
  • the pre-treatment is integrated in the hot isostatic compaction cycle in which a first thermal phase only is followed by an external hot pressurization phase.
  • This shrinking is implemented by cooling the lid to contract its dimensions before introduction into the cavity and then its expansion by return to ambient temperature, and / or by heating the container during this rise in temperature to increase the dimensions of its cavity by dilation before introduction of the lid;
  • the cooling is carried out by thermal quenching in dry ice or a liquefied gas, in particular liquid nitrogen.
  • the subject of the invention is also a metal part preform assembled during the temperature rise phase of the process defined above.
  • This preform comprises the metal body or container, the reinforcing fiber insert disposed in the cavity formed in the container, and the metal lid disposed on the insert in said cavity and secured to said container.
  • the cavity comprises a first elongated main portion housing the insert and at least a second portion extending from the first, the cover comprising a central portion covering the insert and at least one extension of shape corresponding to the second part of the cavity; in order to partially wrap the insert on at least two different planes.
  • the lid thus forms a metal block of simple geometry and easily achievable;
  • the lid comprises a zone of progressive deformation between the main portion and at least one extension of the lid at the time of the compaction step;
  • the insert and the cavity are rectilinear, so that the lid assembles accurately in the cavity with the container in the heat treatment phases to not let out the fibers;
  • the insert is of cross section chosen between a polygonal conformation, in particular rectangular, oval and circular;
  • the insert is formed of fibers assembled in bundles and coated with metal, in particular titanium, which facilitates diffusion welding during compaction;
  • the preform has a plurality of elongated cavities incorporating inserts of corresponding shape, the cavities being arranged in rectilinear portions, parallel or otherwise.
  • This arrangement makes it possible to achieve a multiple longitudinal internal reinforcement, without using an annular shaped insert stretched with straight branches which requires adjusting the machining of the cavity of the insert to the shape of the insert, delicate operation and expensive.
  • This multiple reinforcement is obtained without sacrificing the strength of the part since the fibers work essentially in their longitudinal direction.
  • FIGS. 2a and 2b perspective and transparency views of an assembly example for producing a metal part preform according to the invention
  • the positioning terms of the "superior” or “inferior” type designate locations with respect to objects in the sense of universal gravity.
  • the metal body shown or container 10 is for example intended to form a connecting rod of a landing gear.
  • a cavity 12 has been machined in the container 10 from its upper face Fs. This cavity accommodates an insert 14 in its lower part and a cover 16 in its upper part, the cover covering the insert.
  • the cover 16 is projecting, in the example shown in FIG. 1a, with respect to the upper face Fs of the container 10 for matters of material compensation as mentioned below in the isostatic compaction phase.
  • the cavity 12, the insert 14 and the cover 16 are of complementary shape and machined in such a way as to have no clearance or minimal clearance between them, the lowest possible considering technological constraints.
  • the lid 16 and the container 10 have walls 16a and 10a bearing against each other by pressurization.
  • a hooping between the walls of the lid and the container facing is performed by prior cooling of the lid in liquid nitrogen.
  • the lid then shrinks in size and is positioned in the cavity on the insert.
  • the lid expands in size and the walls of the lid and the container opposite then come into pressure against each other by a tight fit.
  • the metal is a titanium alloy and the temperature of Welding is between 850 and 1000 ° C.
  • the temperature keeping time for titanium alloys is at least 30 minutes.
  • This pre-welding integrally or at least partially solidifies the container and the lid.
  • the container and the lid are advantageously made of the same metal, a titanium alloy in the example.
  • the pressure (arrows F) is exerted perpendicular to all the faces of the container 10, causing the collapse of the lid.
  • the introduction of the gas under pressure and the temperature which may reach the order of 1000 bars and 1000 ° C., allow the metal of the matrix of the insert 14 to occupy the voids between the coated wires constituting the insert.
  • the dimensions of the lid are previously calculated so that the upper face 16s of the lid 16 comes, during the pressurization, at the upper face Fs of the container 10, knowing that the volume of the insert decreases from about 15 to 20%.
  • the container, lid and fibers are compacted, as indicated by the shrinkage volumes 18 and 19 appearing in hatched cross-section in FIG. 1c.
  • FIGS. 2a and 2b concretely illustrate the assembly of the components in order to produce a preform 20.
  • the components comprise the container 10 of elongate shape, having the cavity 12 also in elongated form, the insert 14 rectilinear and the lid 16 in the shape of a pad.
  • the machined cavity 12 is rectilinear with a flat bottom and walls perpendicular to the bottom.
  • the connecting surface between the bottom and the walls has a small radius of curvature to allow an adjustment of the insert 14 with a game as low as possible.
  • the cavity comprises a central portion 12c and two annular end portions 12e and 12e ', in longitudinal extension on either side of the central portion.
  • the central portion 12c is intended to serve as a housing for the rectilinear insert 14 by adjustment.
  • the insert is formed of an assembly of ceramic fibers coated with metal, titanium in the embodiment.
  • the shape of the cover 16 makes it possible to wrap the insert 14 once disposed in its housing.
  • the cover 16 has an overall block shape and dimensions adjusted as close to those of the cavity 12, with a central portion 16c and end portions 16e and 16e 'in the longitudinal extensions of the central portion.
  • the end portions allow the cover to wrap the insert on its upper face Fi and on its end faces Fe and Fe ', in three different planes.
  • the height H of the end portions 16e and 16e 'of the cover corresponds to the height 16h of its central portion 16c increased by that of the insert 14, and is slightly greater than the depth of the cavity 12.
  • the end portions 16e and 16e 'of the lid each have a cutaway 16p and 16p' providing a space with the bottom of the cavity on the side of the insert. These sections define free spaces that will facilitate the deformation of the lid during compaction.
  • connection between the lid and the container to obtain the preform 20 is advantageously preceded by a hooping.
  • the lid 12 is lowered suddenly in temperature to cause a shrinkage of its dimensions.
  • a simple way is to immerse it in liquid nitrogen.
  • the lid is then easily placed in the cavity after being cooled. As it expands, the lid comes in a snug fit against the side walls of the container.
  • the isostatic compaction chamber (not shown) conventionally comprises heating control means in a wide range of temperatures, up to 1000 ° C and beyond, means for evacuation and means for putting under high pressure, up to 1000 bar and above.
  • the temperature of the diffusion welding cycle is the conventional welding temperature of the metal constituting the container and the lid, here the titanium alloy.
  • the heat treatment phases in particular pre-welding, are performed in the compaction plant. Pre-welding and compaction are thus chained continuously.
  • the upper face Fc of the cover 16 collapses during compression up to 1000 bars to finalize the hot isostatic compaction of the preform 20.
  • the insert is formed of a fiber bundle coated with a titanium alloy.
  • the blank thus obtained is ready to be machined to produce the desired metal part.
  • Pressurizing the lid on the container can be achieved by any means within the reach of the skilled person: by the introduction of an elastic blade, a mechanical spacer, etc.
  • inserts have been compacted according to the method of the invention in each of the rectilinear portions 31 and 31 'of each of the non-parallel branches 33 and 33', before machining the recesses 34, 35, 35 'and 36.
  • the inserts ensure the transmission of forces in tension and compression.
  • the process of the invention makes it possible under these conditions to make any part incorporating one or more inserts in longitudinal parts of this part.
  • the shapes of the lid can vary and wrap the insert partially or totally.
  • several lids can envelop the insert, providing for example a through cavity, an insert being disposed in the middle of the cavity and two lids disposed on either side of the insert from the two opposite faces of the container.

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Abstract

Lors de la mise en oeuvre de la fabrication d'une pièce métallique composite par compaction d'un insert à fibres de renfort (14) dans un corps métallique ou conteneur (10), le gaz de compaction peut s'introduire dans la cavité (12) usinée dans le conteneur (10) pour loger l'insert (14), entre un couvercle (16) recouvrant l'insert (14) et le conteneur (10). Une telle infiltration peut empêcher ou dégrader la compaction ainsi que le soudage diffusion des gaines des fibres de l'insert (14) entre elles et/ou avec les parois (10a) de la cavité (12). Pour résoudre ce problème, l'invention vise à pré-souder le couvercle (16) sur le conteneur (10). La présente invention propose d'initialiser la compaction isostatique par une phase de montée et de maintien en température, suivie d'une phase d'introduction de gaz sous pression à chaud, et d'usinage de l'ensemble pour obtenir ladite pièce. La phase de montée en température est réglée de sorte à réaliser un pré-soudage par diffusion de matière solidarisant les parois (16a) du couvercle et du conteneur (10a) ajustées en pression. Application à la conception de pièces résistantes tant en traction qu'en compression, par exemple de pièces de train d'atterrissage d'aéronefs.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIÈCE MÉTALLIQUE COMPOSITE A RENFORTS INTERNES EN FIBRES, PRÉFORME DE MISE EN ŒUVRE ET
PIÈCE MÉTALLIQUE OBTENUE
INTRODUCTION
L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces métalliques composites par incorporation de renforts internes formés de fibres, en particulier de fibres céramiques, et concerne également la préforme utilisée lors de la mise en œuvre du procédé ainsi que la pièce métallique composite obtenue.
L'invention se rapporte au domaine des matériaux composites à matrice métallique, en abrégé CMM.
Afin de réduire le poids des pièces métalliques tout en augmentant leur capacité de résistance mécanique, tant en traction qu'en compression, il est habituellement recouru à l'incorporation de fibres, fibres de carbone, d'aramides (par exemple le Kevlar®) ou fibres céramiques, dans la masse métallique. Les fibres céramiques, notamment les fibres de carbure de silicium SiC, sont en particulier utilisées pour des applications de haute technicité à hautes températures que nécessitent les domaines de l'aviation ou de l'aérospatial ou dans le domaine de la sécurité, par exemple pour le freinage (freins céramique).
La fabrication de ces pièces passe par la réalisation préalable d'inserts à partir de fils enduits de métal. Le métal procure notamment l'élasticité et la souplesse nécessaires à leur manipulation. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un procédé connu de fabrication de telles pièces avec renfort, décrit par exemple dans le document de brevet FR 2 886 290, comprend la formation d'un bobinage de fils enduits autour d'un mandrin. Le bobinage est ensuite incorporé dans un conteneur ou corps principal métallique dans lequel une cavité a été usinée au préalable pour former un logement à l'insert. La profondeur de la cavité est supérieure à la hauteur du bobinage et est conformée pour y insérer un tenon de couvercle.
Le couvercle est soudé sous vide à la périphérie de la cavité pour assurer l'étanchéité lors de l'étape de compaction isostatique à chaud, au cours de laquelle le couvercle est déformé et le bobinage est comprimé par le tenon.
La technique de compaction isostatique à chaud consiste à disposer la pièce dans une enceinte où elle est soumise à une pression élevée, de l'ordre de 1000 bars, et à une température également élevée, de l'ordre de 1000°C, pendant quelques heures.
Au cours de ce traitement, les vides inter-fils enduits disparaissent par fluage, les gaines métalliques des fils enduits se soudent entre elles et avec les parois de la cavité, par soudage diffusion, pour former un ensemble dense composé d'un alliage métallique au sein duquel s'étendent les fibres céramiques. La pièce obtenue est ensuite usinée à la forme souhaitée.
Le procédé permet la fabrication de pièces aéronautiques axisymétriques, telles que des disques de rotor ou des disques à aubes monoblocs, mais aussi non axisymétriques, telles que des bielles, des arbres, des corps de vérin, des carters. Cependant, l'usinage de la cavité dans le corps principal est une opération difficile à réaliser notamment en raison des faibles rayons de raccordement dans le fond de la cavité entre la surface du fond et les parois latérales. Ce faible rayon de raccordement est nécessaire pour permettre le logement, avec un jeu aussi faible que possible, de l'insert qui a une section rectangulaire et qui est formé de fils de faibles rayons. L'usinage du tenon correspondant dans le couvercle n'est pas aisé non plus à cause des angles non débouchant et du fait qu'il doit avoir une forme parfaitement complémentaire à la cavité.
De plus, lorsque les pièces à réaliser ne sont pas axisymétriques mais de forme oblongue, avec une forme ovale ou bien avec des portions rectilignes, un ajustement précis sur des longueurs importantes est difficile à obtenir. Cela est encore plus difficile pour des inserts formés de fils enduits très rigides, par exemple des fibres céramiques, qui obligent la réalisation de logements dans lesquels ils s'adaptent parfaitement. Le couvercle doit s'assembler exactement dans la cavité afin de ne pas laisser échapper les fibres.
L'usinage génère donc globalement des coûts de fabrication élevés. En particulier l'usinage du corps principal du conteneur avec son couvercle représente une fraction importante du coût total des pièces. Afin de diminuer ces coûts et de simplifier les étapes, la demanderesse a développé un procédé de fabrication dans lequel la cavité loge un insert rectiligne ainsi que le couvercle dont les dimensions sont réglées pour permettre un positionnement sur cet insert. L'étanchéité de la cavité est alors assurée par frettage par réduction des dimensions du couvercle au froid, par exemple par plongée dans de l'azote liquide, puis dilatation dans la cavité de manière à réaliser un ajustement serré. La solution réalise ainsi une étanchéité qui permet de simplifier la forme de la cavité.
Ce procédé est décrit dans la demande de brevet déposée le 4 juillet 2008 sous le numéro FR08/54589. Cependant cette solution introduit un risque élevé de perte d'étanchéité dans la cavité du conteneur logeant le couvercle et l'insert lors de l'opération ultérieure de compaction isostatique à chaud pour les raisons suivantes.
Cette opération consiste à soumettre l'ensemble conteneur - insert - couvercle à un double cycle de montée en température et en pression. La pression est exercée par un fluide gazeux de compaction, généralement de l'argon.
Sous l'effet de l'augmentation en température, les contraintes induites par le frettage entre le couvercle et le conteneur se relaxent. Simultanément, la pression extérieure au conteneur augmente également et le gaz de compaction s'introduit dans la cavité contenant l'insert, entre le couvercle et le conteneur. Une telle infiltration peut empêcher ou dégrader la compaction ainsi que le soudage diffusion des gaines des fils de l'insert entre elles et/ou avec les parois de la cavité.
OBJET DE L'INVENTION
Pour résoudre ce problème, l'invention propose un traitement de pré- soudage du couvercle sur le conteneur préalablement à la phase de compaction.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces métalliques composites par incorporation de renforts internes formés de fibres, comportant les étapes d'usinage dans un corps métallique ou conteneur d'au moins une cavité de logement pour un insert de forme correspondante comportant des fibres de renfort, d'introduction d'un couvercle sur l'insert dans la cavité du conteneur, le couvercle présentant des parois maintenues en pression contre les parois du conteneur en regard, de cycle de compaction isostatique à chaud de l'ensemble conteneur - insert - couvercle, et d'usinage dudit ensemble pour obtenir ladite pièce. Cette étape de mise en pression du couvercle contre le conteneur est alors poursuivie par un traitement thermique de pré-soudage diffusion consistant en une montée et un maintien en température de l'ensemble conteneur - insert - couvercle solidarisant le couvercle et le conteneur.
Dans ces conditions, la compaction isostatique est optimisée et ne nécessite plus de fermeture externe du conteneur par le couvercle à l'aide d'une soudure spécifique, ce qui entraîne une réduction des coûts, tout en garantissant une compaction de qualité du fait de l'absence de fuite de gaz dans l'insert par le présoudage interne.
De préférence, le traitement préalable est intégré au cycle de compaction isostatique à chaud dans lequel une première phase uniquement thermique est suivie d'une phase de mise en pression externe à chaud.
Selon des modes de réalisation particuliers :
- un frettage préalable à l'étape de pré-soudage est effectué entre les parois du couvercle et du conteneur en regard, afin d'aboutir à un ajustement serré en pression entre lesdites parois ;
- ce frettage est mis en œuvre par refroidissement du couvercle pour contracter ses dimensions avant introduction dans la cavité puis sa dilatation par retour à la température ambiante, et/ou par chauffage du conteneur lors de cette montée en température pour augmenter les dimensions de sa cavité par dilatation avant introduction du couvercle ;
- le refroidissement est réalisé par trempe thermique dans de la carboglace ou un gaz liquéfié, en particulier de l'azote liquide.
L'invention a également pour objet une préforme de pièce métallique assemblée lors de la phase de montée en température du procédé défini ci-dessus. Cette préforme comporte le corps métallique ou conteneur, l'insert de fibres de renfort disposé dans la cavité formée dans le conteneur, ainsi que le couvercle métallique disposé sur l'insert dans ladite cavité et solidarisé audit conteneur. Selon des modes de réalisation particuliers :
- la cavité comprend une première partie principale longiligne logeant l'insert et au moins une deuxième partie en prolongement de la première, le couvercle comprenant une portion centrale recouvrant l'insert et au moins un prolongement de forme correspondant à la deuxième partie de la cavité de sorte à envelopper partiellement l'insert sur au moins deux plans différents. Le couvercle forme ainsi un pavé métallique de géométrie simple et facilement réalisable ;
- le couvercle comprend une zone de déformation progressive entre la portion principale et au moins un prolongement du couvercle au moment de l'étape de compaction ;
- l'insert et la cavité sont rectilignes, afin que le couvercle s'assemble avec précision dans la cavité avec le conteneur dans les phases de traitement thermique pour ne pas laisser échapper les fibres ;
- l'insert est à section transversale choisie entre une conformation polygonale, notamment rectangulaire, ovale et circulaire ;
- l'insert est formé de fibres assemblées en faisceaux et enduites de métal, en particulier de titane, ce qui facilite le soudage diffusion lors de la compaction ;
- la préforme présente plusieurs cavités de forme allongée intégrant des inserts de forme correspondante, les cavités étant agencées selon des parties rectilignes, parallèles ou non. Cet agencement permet de réaliser un multiple renfort interne longitudinal, sans utiliser d'insert de forme annulaire étirée avec des branches rectilignes qui nécessite d'ajuster l'usinage de la cavité de l'insert à la forme de l'insert, opération délicate et onéreuse. Ce renfort multiple est obtenu sans sacrifier la résistance de la pièce puisque les fibres travaillent essentiellement selon leur direction longitudinale.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de l'exemple détaillé de réalisation qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
- les figures 1 a à 1 c, des vues en coupe schématiques d'un exemple de déroulement des trois principales étapes du traitement thermique du procédé selon l'invention ;
- les figures 2a et 2b, des vues perspectives et par transparence d'un exemple d'assemblage pour réaliser une préforme de pièce métallique selon l'invention,
- la figure 3, une vue perspective d'une biellette de train d'atterrissage incorporant des inserts compactés selon la présente invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN MODE DE RÉALISATION
Dans cet exposé, les termes de positionnement du type « supérieur » ou « inférieur » désignent des localisations par rapport à des objets selon le sens de la gravité universelle.
En référence à la vue schématique en coupe transversale de la figure 1 a, le corps métallique représenté ou conteneur 10 est par exemple destiné à former une bielle d'un train d'atterrissage. Une cavité 12 a été usinée dans le conteneur 10 à partir de sa face supérieure Fs. Cette cavité accueille un insert 14 dans sa partie inférieure et un couvercle 16 dans sa partie supérieure, le couvercle recouvrant l'insert.
Le couvercle 16 est en saillie, dans l'exemple représenté sur la figure 1 a, par rapport à la face supérieure Fs du conteneur 10 pour des questions de compensation de matière comme évoqué ci-dessous en phase de compaction isostatique.
La cavité 12, l'insert 14 et le couvercle 16 sont de forme complémentaire et usinés de manière à ne pas présenter de jeu ou un jeu minimal entre eux, le plus faible possible compte tenues des contraintes technologiques. En particulier, le couvercle 16 et le conteneur 10 présentent des parois 16a et 10a en appui l'une contre l'autre par mise en pression préalable.
Avantageusement, un frettage entre les parois du couvercle et du conteneur en regard est effectué par refroidissement préalable du couvercle dans de l'azote liquide. Le couvercle rétrécit alors en dimensions et est positionné dans la cavité sur l'insert. Par réchauffement lors de la montée en température dans la phase de pré-soudage qui suit, le couvercle se dilate en dimension et les parois du couvercle et du conteneur en regard viennent alors en pression l'une contre l'autre par un ajustement serré.
Il est ensuite procédé à un cycle de pré-soudage par diffusion de matière à chaud dans une enceinte appropriée (non représentée) apte à effectuer ultérieurement la compaction isostatique. La montée en température et la durée de ce cycle sont adaptées à la mise en œuvre d'une diffusion du métal du conteneur. La mise en pression préalable est calculée pour permettre une relaxation suffisante des contraintes lors de cette montée en température.
Dans l'exemple, le métal est un alliage de titane et la température de soudage est comprise entre 850 et 1000° C. La durée de maintien en température pour des alliages de titane est au minimum de 30 minutes. Ce pré-soudage solidarise totalement ou au moins partiellement le conteneur et le couvercle. Le conteneur et le couvercle sont avantageusement constitués d'un même métal, un alliage de titane dans l'exemple. Après ce traitement de solidarisation, le conteneur 10 et le couvercle 16 ne forment plus qu'une seule entité entourant l'insert de fibres 14, comme illustré schématiquement par la figure 1 b, le couvercle formant toujours une saillie 16s de face supérieure Fc. II est ensuite procédé à l'opération de compaction isostatique à chaud, en référence à la vue schématique de la figure 1 c. La pression (flèches F) est exercée perpendiculairement à toutes les faces du conteneur 10, générant l'affaissement du couvercle. L'introduction du gaz sous pression et la température, pouvant atteindre de l'ordre de 1000 bars et 1000°C, permettent au métal de la matrice de l'insert 14 d'occuper les vides entre les fils enduits constituant l'insert.
Les dimensions du couvercle sont préalablement calculées pour que la face supérieure 16s du couvercle 16 vienne, lors de la mise en pression, au niveau de la face supérieure Fs du conteneur 10, sachant que le volume de l'insert diminue d'environ 15 à 20%. À la fin du processus, le conteneur, le couvercle et les fibres sont compactés, comme indiqué par les volumes de rétrécissement 18 et 19 apparaissant en coupe hachurée sur la figure 1 c.
L'ébauche de la pièce est ainsi renforcée par les fils emprisonnés dans la masse. Un usinage final permet d'obtenir la pièce de forme souhaitée. Les vues en perspective des figures 2a et 2b illustrent concrètement l'assemblage des composants en vue de réaliser une préforme 20. Les composants comprennent le conteneur 10 de forme allongée, présentant la cavité 12 également sous forme allongée, l'insert 14 rectiligne et le couvercle 16 en forme de pavé.
La cavité usinée 12 est rectiligne avec un fond plat et des parois perpendiculaires au fond. La surface de raccordement entre le fond et les parois présente un faible rayon de courbure pour permettre un ajustement de l'insert 14 avec un jeu aussi faible que possible. La cavité comporte une partie centrale 12c et deux parties d'extrémité annulaires 12e et 12e', en prolongement longitudinal de part et d'autre de la partie centrale. La partie centrale 12c est destinée à servir de logement à l'insert rectiligne 14 par ajustement. L'insert est formé d'un assemblage de fibres céramiques enduites de métal, du titane dans l'exemple de réalisation.
La forme du couvercle 16 permet d'envelopper l'insert 14 une fois disposé dans son logement. Le couvercle 16 présente une forme globale de pavé et des dimensions ajustées au plus près de celles de la cavité 12, avec une partie centrale 16c et des parties d'extrémité 16e et 16e' dans les prolongements longitudinaux de la partie centrale. Les parties d'extrémité permettent au couvercle d'envelopper l'insert sur sa face supérieure Fi et sur ses faces d'extrémité Fe et Fe', soit sur trois plans différents.
La hauteur H des parties d'extrémité 16e et 16e' du couvercle correspond à la hauteur 16h de sa partie centrale 16c augmentée de celle de l'insert 14, et est légèrement supérieure à la profondeur de la cavité 12. Les parties d'extrémité 16e et 16e' du couvercle présentent chacun un pan coupé 16p et 16p' ménageant un espace avec le fond de la cavité du côté de l'insert. Ces pans définissent des espaces libres qui faciliteront la déformation du couvercle lors de la compaction.
Dans l'exemple, la solidarisation entre le couvercle et le conteneur pour obtenir la préforme 20 est avantageusement précédée par un frettage. Pour ce faire, le couvercle 12 est abaissé brutalement en température pour provoquer un rétrécissement de ses dimensions. Un moyen simple est de le plonger dans de l'azote liquide. Le couvercle se place alors aisément dans la cavité après avoir été refroidi. En se dilatant, le couvercle vient en ajustement serré en pression contre les parois latérales du conteneur.
L'enceinte de compaction isostatique (non représentée) comporte classiquement des moyens de régulation de chauffage dans une gamme importante de températures, pouvant aller jusqu'à 1000°C et au-delà, des moyens de mise sous vide et des moyens de mise sous pression élevée, pouvant atteindre 1000 bars et au-delà.
La température du cycle de soudage diffusion est la température classique de soudage du métal constituant le conteneur et le couvercle, ici l'alliage de titane.
Avantageusement, les phases de traitement thermiques, en particulier de pré-soudage, sont effectuées dans l'installation de compaction. Le pré-soudage et la compaction sont ainsi enchaînés de manière continue.
La face supérieure Fc du couvercle 16 s'affaisse lors de la mise en compression jusqu'à 1000 bars pour finaliser la compaction isostatique à chaud de la préforme 20.
Plus précisément, l'insert est formé d'un faisceau de fibres enduites d'un alliage de titane. Le traitement conduisant à une réduction de volume et une densification de cet insert, le couvercle descend dans la cavité à la manière d'un piston. La zone de transition formée par les pans coupés 16e et 16e' permet au couvercle de se déformer sans que les efforts de cisaillement conduisent à un endommagement du couvercle. L'ébauche ainsi obtenue est prête à être usinée pour réaliser la pièce métallique souhaitée.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés.
La mise en pression du couvercle sur le conteneur peut être réalisée par tout moyen à la portée de l'homme du métier : par l'introduction d'une lame élastique, d'un écarteur mécanique, etc.
Suivant le type de pièce à usiner, il convient d'intégrer un nombre d'inserts adapté à la structure de la pièce à renforcer.
Ainsi, dans la biellette 30 illustrée par la figure 3, des inserts ont été compactés selon la méthode de l'invention dans chacune des parties rectilignes 31 et 31 ' de chacune des branches non parallèles 33 et 33', avant usinage des évidements 34, 35, 35' et 36. Les inserts assurent la transmission des efforts en traction et compression.
Le procédé de l'invention permet dans ces conditions de réaliser toute pièce incorporant un ou plusieurs inserts dans des parties longitudinales de cette pièce.
Par ailleurs les formes du couvercle peuvent varier et envelopper l'insert de manière partielle ou totale. Dans ce cas, plusieurs couvercles peuvent envelopper l'insert, en prévoyant par exemple une cavité traversante, un insert étant disposé au milieu de la cavité et deux couvercles disposés de part et d'autre de l'insert à partir des deux faces opposées du conteneur.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication de pièces métalliques composites (30) par incorporation de renforts internes formés de fibres (14), comportant les étapes d'usinage dans un corps métallique ou conteneur (10) d'au moins une cavité de logement (12) pour un insert (14) de forme correspondante comportant des fibres de renfort, d'introduction d'un couvercle (16) sur l'insert (14) dans la cavité (12) du conteneur, le couvercle présentant des parois (16a) maintenues en pression contre les parois (10a) du conteneur en regard, de cycle de compaction isostatique à chaud d'un tel ensemble conteneur - insert - couvercle, et d'usinage dudit ensemble pour obtenir ladite pièce (30), caractérisé en ce qu'il consiste à poursuivre Γ étape de mise en pression du couvercle et du conteneur par un traitement thermique de pré-soudage diffusion consistant en une montée et un maintien en température de l'ensemble conteneur - insert - couvercle solidarisant le couvercle (16) et le conteneur (10).
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , dans lequel le traitement préalable est intégré au cycle de compaction isostatique à chaud dans lequel une première phase uniquement thermique est suivie d'une phase de mise en pression externe à chaud
3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un frettage préalable à l'étape de pré-soudage est effectué entre les parois (16a, 10a) du couvercle (16) et du conteneur (10) en regard, afin d'aboutir à un ajustement serré en pression entre lesdites parois.
4. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le frettage est mis en œuvre par refroidissement du couvercle (16) pour contracter ses dimensions, avant son introduction dans la cavité puis sa dilatation par retour à la température ambiante, et/ou par chauffage du conteneur (10) lors de cette montée en température pour augmenter les dimensions de sa cavité (12) par dilatation avant introduction du couvercle (16).
5. Préforme de pièce métallique assemblée lors de la phase de montée en température du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que cette préforme (20) comporte le corps métallique ou conteneur (10), l'insert de fibres de renfort (14) disposé dans la cavité (12) formée dans le conteneur (10), ainsi que le couvercle métallique (16) disposé sur l'insert (14) dans ladite cavité (12) et solidarisé au conteneur (10).
6. Préforme selon la revendication précédente, dans laquelle la cavité (12) comprend une première partie principale longiligne(12c) logeant l'insert (14) et au moins une deuxième partie (12e, 12e') en prolongement de la première, le couvercle (16) comprenant une portion centrale (16c) recouvrant l'insert (14) et au moins un prolongement (16e, 16e') de forme correspondant à la deuxième partie (12e, 12e') de la cavité (12) de sorte à envelopper partiellement l'insert (14) sur au moins deux plans différents.
7. Préforme selon la revendication précédente, dans laquelle le couvercle (16) comprend une zone de déformation progressive (16p, 16p') entre la portion principale (16c) et au moins un prolongement (16e, 16e').
8. Préforme selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle l'insert (14) et la cavité (12) sont rectilignes.
9. Préforme selon la revendication précédente, dans laquelle l'insert (14) est à section transversale choisie entre une conformation polygonale, ovale et circulaire.
10. Préforme selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans laquelle l'insert (14) est formé de fibres assemblées en faisceaux et enduites de métal, en particulier de titane.
1 1 . Pièce métallique composite (30) réalisée par mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à partir de la préforme (20) selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce qu'elle présente au moins une cavité (12) de forme allongée intégrant un ou des inserts (14) de forme correspondante, la ou les cavité(s) étant agencée(s) selon une (des) partie(s) rectiligne(s).
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