EP2504462B1

EP2504462B1 - Procédé de fabrication d'une pièce métallique composite à renforts internes en fibres

Info

Publication number: EP2504462B1
Application number: EP10784770.9A
Authority: EP
Inventors: Richard Masson; Patrick Dunleavy; Jean-Michel Franchet; Gilles Klein
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran Landing Systems SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran Landing Systems SAS
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: JP2013512334A; CN102770573B; EP2504462A1; FR2952944A1; FR2952944B1; BR112012011974A2; CN102770573A; US8776343B2; JP5858925B2; CA2793463A1; RU2012126107A; US20120255961A1; WO2011064251A1; CA2793463C; RU2550053C2

Description

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 oeuvre 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 pré-soudage 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 oeuvre 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.

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 1a à 1c, 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 1a, 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 1a, 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 oeuvre 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 1b, le couvercle formant toujours une saillie 16s de face supérieure Fc.
Il est ensuite procédé à l'opération de compaction isostatique à chaud, en référence à la vue schématique de la figure 1c. 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 1c.
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

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 il consiste à poursuivre l'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) .
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
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.
Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le frettage est mis en oeuvre 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).
Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 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.
Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le couvercle (16) comprend une zone de déformation progressive (16p, 16p') entre la portion centrale (16c) et au moins un prolongement (16e, 16e').
Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l'insert (14) et la cavité (12) sont rectilignes.
Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l'insert (14) est à section transversale choisie entre une conformation polygonale, ovale et circulaire.
Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel l'insert (14) est formé de fibres assemblées en faisceaux et enduites de métal, en particulier de titane.
Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel au moins une cavité (12) de forme allongée intègre un ou des inserts (14) de forme correspondante, la ou les cavité(s) étant agencée(s) selon une (des) partie(s) rectiligne(s).