ES2373388T3 - Procedimiento de fabricación de una pieza metálica reforzada con fibras cerámicas. - Google Patents

Procedimiento de fabricación de una pieza metálica reforzada con fibras cerámicas. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de fabricación de una pieza metálica reforzada de fibras cerámicas, según el cual se mecanizan, en un cuerpo metálico (10) que presenta una cara superior (10A, 10B), al menos un alojamiento para una pieza de inserción, se dispone al menos una pieza de inserción (11), formada de un haz de fibras de matriz metálica, en el alojamiento, se coloca una cubierta metálica (12) sobre el cuerpo de manera que cubra la pieza de inserción (11), se suelda la cubierta (12) sobre el cuerpo metálico (10), se trata el conjunto del cuerpo metálico con la cubierta por compresión isostática en caliente y se mecaniza dicho conjunto tratado para obtener la citada pieza, caracterizado por el hecho de que la pieza de inserción (11) es rectilínea, y el alojamiento forma una ranura rectilínea (10A1, 10A2, 10B1, 10B2) que se prolonga más allá de la pieza de inserción y está abierta por cada extremo, siendo la citada ranura rellenada por una lengüeta (14) en el momento del cierre por medio de la cubierta (12).

Description

Procedimiento de fabricaci6n de una pieza metalica reforzada con fibras ceramicas
La presente invenci6n se refiere a la fabricaci6n de piezas metalicas que comprenden refuerzos internos formados de fibras ceramicas, y que comprenden la incorporaci6n de una pieza de inserci6n de material compuesto del tipo constituido de fibras ceramicas en una matriz metalica.
Con el fin de reducir la masa de las piezas metalicas al mismo tiempo que se asegura una mayor resistencia, principalmente a la tracci6n o a la compresi6n, se conoce incorporar fibras ceramicas en la masa. Se trata, por ejemplo, de fibras de carburo de silicio, SiC, que presentan una resistencia a la tracci6n y a la compresi6n ampliamente superior a la de un metal como el titanio.
La fabricaci6n de estas piezas pasa por la formaci6n previa de piezas de inserci6n a parir de hilos ceramicos de matriz metalica que comprenden una fibra ceramica revestida de metal. Se denominan tambien fibras CMM o hilos revestidos. El metal proporciona la elasticidad y la flexibilidad necesarias para su manipulaci6n.
Un procedimiento conocido de fabricaci6n de tales piezas con refuerzo comprende la realizaci6n de un bobinado de hilo endurecido alrededor de un mandril. El bobinado es a continuaci6n incorporado a un recipiente o cuerpo principal metalico en el cual se ha mecanizado previamente una ranura que forma el alojamiento par la pieza de inserci6n. La profundidad de la ranura es superior a la altura del bobinado. Sobre el recipiente se coloca una cubierta y se suelda a su periferia. La cubierta presenta una espiga de forma complementaria a la de la ranura, y su altura esta adaptada a la del bobinado situado en la ranura de manera que se llena la ranura. Se procede a continuaci6n a una etapa de compresi6n isostatica en caliente en el curso de la cual se deforma la cubierta y se comprime el bobinado por medio de la espiga.
La tecnica de compresi6n isostatica en caliente consiste en disponer la pieza en una envuelta donde es sometida a una presi6n elevada del orden de 1000 bares y a una temperatura igualmente elevada, del orden de 1000oC durante algunas horas.
En el curso de ese tratamiento las vainas metalicas de los hilos revestidos se sueldan entre sf y con las paredes de la ranura, por difusi6n, para forma un conjunto denso compuesto de una aleaci6n metalica en el seno de la cual se extienden anularmente las fibras ceramicas. La pieza obtenida es a continuaci6n mecanizada a la forma deseada.
El procedimiento permite la fabricaci6n de piezas aeronauticas simetricas con respecto al eje, tales como discos de rotor o discos alabeados monobloques, pero tambien arboles, cuerpos de gato, carteres, etc.
La mecanizaci6n de la ranura en el cuerpo principal es diffcil de realizar principalmente debido a los pequenos radios en el fondo de la ranura. Este pequeno radio es necesario para permitir el alojamiento de una pieza de inserci6n que tiene una secci6n rectangular. La mecanizaci6n de la espiga correspondiente a la cubierta no es tampoco facil a causa de angulos que no desembocan.
La solicitante ha desarrollado un procedimiento de fabricaci6n de piezas de forma alargada y que incorporan una pieza de inserci6n con partes rectilfneas que contribuyen a la trasmisi6n de los esfuerzos de tracci6n y/o de compresi6n unidireccionales. Este procedimiento se describe en la solicitud de patente FR 07/05453, del 26 de julio de 2007. La solicitante ha desarrollado igualmente un procedimiento de fabricaci6n de una pieza de inserci6n rectilfnea. Este consiste en realizar una pieza de inserci6n en bruto en forma de bobina, en compactar esta en un recipiente por compresi6n isostatica en caliente y despues en mecanizar las piezas de inserci6n rectilfneas en el recipiente compactado. Un tal procedimiento se describe en la solicitud de patente FR 07/05454, del 26 de julio de 2007.
Sin embargo, cuando las piezas a realizar no son simetricas con respecto al eje, sino alargadas, con una forma ovalada o bien con partes rectilfneas, es diffcil de obtener un ajuste preciso en longitudes importantes. Ello es incluso mas diffcil para piezas de inserci6n formadas de hilos revestidos muy rfgidos, en raz6n de las fibras ceramicas, que obligan a la realizaci6n de alojamientos en los cuales se adapten perfectamente y no deban permitir escaparse a una fibra.
En lugar de fabricar la pieza de inserci6n separadamente y despues transferirla a la ranura del cuerpo principal, la patente FR 2886290, a nombre de Snecma, propone realizar, segun una variante, el bobinado directamente sobre el cuerpo principal. En lugar de una ranura, se practican dos resaltos en esta. El primero presenta una superficie de apoyo para el bobinado directo de un hilo revestido. Esta superficie es paralela a la direcci6n del bobinado. Cuando se acaba el bobinado, se reconstituye la ranura colocando una pieza sobre el cuerpo principal que es de forma complementaria a la del segundo resalto, formando una grada con respecto al primer resalto. Despues se dispone la cubierta con la espiga sobre la pieza de inserci6n que se acaba de bobinar y se procede a la compactaci6n del conjunto. Esta soluci6n no resuelve mas que parcialmente el problema de fabricaci6n, ya que el ensamble sigue siendo complejo.
De ese modo, las tecnicas actuales de fabricaci6n permiten crear piezas metalicas que comprenden uno o mas
refuerzos en compuestos de matriz metalica a partir del bobinado de fibras revestidas y de un recipiente - cuerpo y cubierta. Estas estructuras son apropiadas, pero tienen un coste de fabricaci6n elevado. En particular, la mecanizaci6n del cuerpo principal del recipiente con su cubierta representa una fracci6n importante del coste total de las piezas.
La solicitante se ha fijado como objetivo mejorar el procedimiento de fabricaci6n de piezas de forma alargada en el sentido de una simplificaci6n de las etapas de la gama y de una reducci6n de costes.
Se llega este objetivo, de acuerdo con la invenci6n, con un procedimiento de fabricaci6n de una pieza metalica reforzada de fibras ceramicas, segun el cual:
se mecaniza, en un cuerpo metalico que presenta una cara superior, un alojamiento para una pieza de inserci6n,
se dispone una pieza de inserci6n formada de un haz de fibras de matriz metalica en el alojamiento,
se coloca una cubierta metalica sobre el cuerpo de manera que se cubra la pieza de inserci6n,
se suelda la cubierta sobre el cuerpo metalico,
se trata el conjunto del cuerpo metalico con cubierta por compresi6n isostatica en caliente, y
se mecaniza el citado conjunto tratado para obtener la mencionada pieza,
caracterizado por el hecho de que la pieza de inserci6n es rectilfnea, el alojamiento forma una ranura rectilfnea abierta en cada extremo, siendo la citada ranura llenada por una lengOeta en el momento del cierre con la cubierta.
La invenci6n se basa en la constataci6n de que la mecanizaci6n de una ranura rectilfnea que atraviesa todo el cuerpo del recipiente es mucho mas sencilla de realizar que una ranura que no desemboca. La soluci6n de la invenci6n presenta un interes particular con la puesta en posici6n de dos piezas de inserci6n, de forma alargada, dispuestas segun dos ramas rectilfneas, paralelas o no. Segun la tecnica anterior, para obtener dos refuerzos internos longitudinales, se realiza previamente una pieza de inserci6n de forma anular con dos ramas rectilfneas unidas entre sf por dos partes en arco de cfrculo. A continuaci6n se mecaniza el alojamiento en funci6n de la forma precisa de la pieza de inserci6n. Ajustar la forma del alojamiento a la de la pieza de inserci6n ha revelado ser una operaci6n muy delicada y onerosa. De ese modo, suprimiendo el redondeado resulta la mecanizaci6n y la puesta en posici6n mas sencillos, sin sacrificar la resistencia de la pieza final, ya que las fibras trabajan esencialmente segun su direcci6n longitudinal en la secci6n central de la pieza.
En la practica, la cubierta comprende una placa y una o varias lengOetas solidarias de la placa. Mas particularmente, la placa y la o las lengOetas se obtienen por mecanizaci6n de una misma placa gruesa. Segun una variante. La o las lengOetas y la aplaca forman piezas separadas.
De preferencia, se mecaniza un chaflan en el borde superior de la ranura que forma el alojamiento de la pieza de inserci6n. Este chaflan permite el asentamiento progresivo de la lengOeta sobre la pieza de inserci6n y obtener una deformaci6n progresiva, es decir, sin discontinuidad.
La invenci6n es particularmente ventajosa cuando la pieza de inserci6n es de secci6n transversal poligonal, particularmente rectangular. Tambien puede ser ovalada o circular. La pieza de inserci6n esta formada ya sea de fibras revestidas de metal ensambladas en forma de haz, ya sea formada de fibras ceramicas en una sola matriz metalica.
Se describe a continuaci6n la invenci6n con mas detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
La figura 1 muestra las diferentes etapas 1a, 1b, 1c, 1d de fabricaci6n de una pieza de forma alagada segun la tecnica anterior conocida por la presente solicitante;
La figura 2 muestra un ejemplo de pieza obtenida despues de la mecanizaci6n de un recipiente que incorpora piezas de inserci6n;
La figura 3 muestra en perspectiva un cuerpo metalico mecanizado de acuerdo con la invenci6n;
La figura 4 muestra en perspectiva lengOetas asociadas a una placa para formar la cubierta que cierra el cuerpo metalico de la figura 3;
La figura 5 muestra en perspectiva despiezada los diferentes componentes antes de su ensamble.
En la figura 1, obtenida de la solicitud de patente FR 07/05453, se puede ver un recipiente 1 con un cuerpo principal 4 de forma alargada, destinado a formar una biela de un tren de aterrizaje, por ejemplo. Se ha mecanizado una ranura 41 en cada una de las caras del cuerpo 4. Esta ranura permite el alojamiento de una pieza de inserci6n 3 que
comprende dos partes rectilfneas, paralelas o no entre sf, unidas por sus extremos por una parte en arco de cfrculo. Las piezas de inserci6n son del tipo de fibras ceramicas revestidas de metal, tal como titanio. Las ranuras de las piezas de inserci6n son de formas complementarias, de manera que la pieza de inserci6n se ajusta sin holgura en la ranura. Se observara que la ranura del recipiente y la espiga en la cubierta se deben ensamblar perfectamente para evitar que las fibras, que tienen un diametro muy pequeno, de 0,25 mm, puedan escaparse durante la compactaci6n isostatica en caliente. Dos cubiertas 5 estan provistas de una parte en saledizo que forma la espiga 51 y que cubren las caras del cuerpo 4. La espiga se apoya sobre la pieza de inserci6n alojada en la ranura y rellena esta ultima. Se suelda, por ejemplo por medio de un haz de electrones, la cubierta 5 al cuerpo 4 asegurando el vacfo en el interior del recipiente. El recipiente es visible en la figura 1b; este esta retirado en parte para mostrar las piezas de inserci6n. El recipiente es a continuaci6n dispuesto en una envuelta para sufrir un tratamiento de compresi6n isostatica en caliente. El corte transversal del recipiente de la figura 1c muestra que los bordes 42 de la ranura 41 estan achaflanados de manera que se dispone un huelgo con la parte de la cubierta 5 adyacente al espiga 51. Durante la operaci6n de compresi6n isostatica en caliente, la presi6n es ejercida segun la direcci6n perpendicular a la superficie de la cubierta, generando el hundimiento de las cubiertas. La presi6n y el calor, del orden de 1000oC y 1000 bares, permiten que el metal de la matriz ocupe los vacfos entre los hilos revestidos que constituyen la pieza de inserci6n. El volumen de la pieza de inserci6n disminuye en aproximadamente el 23%. La espiga es asf desplazada hacia abajo y es absorbido el juego o huelgo a una y otra parte de la espiga. Al final del proceso, el metal se ha fusionado y el recipiente se ha compactado; la pieza es de ese modo reforzada por los hilos aprisionados en la masa. La figura 1d representa la forma en bruto de la pieza obtenida con dos piezas insertas visibles en transparencia. La pieza en bruto es a continuaci6n mecanizada de manera que se obtiene la pieza 8 representada en la figura 2. Esta pieza 8 presenta vaciados o huecos 81 entre las ramas 82. Las fibras ceramicas estan incorporadas en la ramas 82, asegurando la transmisi6n de los esfuerzos en tracci6n y compresi6n. Las piezas de inserci6n utilizadas son de forma anular, pero, como se ha descrito en la solicitud de patente FR 07/05454, pueden ser formadas de elementos rectilfneos en barras. En este ultimo caso, los elementos rectilfneos son incorporados en el recipiente despues de haber sido compactados previamente.
La soluci6n de la invenci6n permite obtener dichas piezas de manera mas econ6mica.
Haciendo referencia a las figuras 3, 4 y 5, se aprecia un cuerpo metalico 10 de forma alargada que tiene, con relaci6n a la figura, una cara superior 10A y una cara inferior 10B. Se mecanizan en cada una de las dos caras dos ranuras 10A1, 10A2 y 10B1, 10b2. Las ranuras atraviesan el cuerpo 10 en el sentido de la longitud y desembocan en dos caras 10C y 10D de extremo. La longitud de las ranuras es igual a la longitud L del cuerpo 10. Aquellas sirven de alojamiento a unas piezas de inserci6n rectilfneas 11, formadas de haces de fibras ceramicas revestidas y de longitud l inferior a L. El borde superior 10A1', 10A2', 10B1' y 10B2' de la parte de la ranura que forma el alojamiento de las piezas de inserci6n esta achaflanado. Una lengOeta 14 cubre cada pieza de inserci6n 11 dispuesta en su alojamiento. La lengOeta 14, de la misma longitud L que el cuerpo 10, comprende una parte recortada en altura de manera que forman dos partes de extremo 14a y 14b, asf como una parte central 14c de longitud l. La placa 12 cubre la cara superior 10A o inferior 10B del cuerpo 10. La altura de la lengOeta es igual a la profundidad de la ranura, que debe ser suficiente para contener la pieza de inserci6n 11.
La fabricaci6n de un ejemplo de pieza segun la invenci6n con 4 piezas insertas comprende por tanto las siguientes etapas:
Se prepara un cuerpo metalico 10, por ejemplo de aleaci6n de titanio, con una cara plana superior y una cara plana inferior;
Se mecanizan dos ranuras rectilfneas abiertas 10A1, 10A2, respectivamente 10B1, 10B2 en cada una de las dos caras, superior e inferior. Las ranuras desembocan en las caras de extremo del cuerpo. Esta operaci6n es relativamente sencilla, ya que no se han de tener en cuenta la profundidad y la anchura de la ranura.
Se mecanizan dos zonas centrales achaflanadas 10A1', 10A2', respectivamente 10B1', 10B2' en las caras libres de las ranuras, de longitud correspondiente a la de las piezas insertas.
Se ponen en posici6n las piezas de inserci6n 11 en las ranuras al nivel de las zonas achaflanadas. De acuerdo con una primera realizaci6n, las piezas de inserci6n se forman de un haz ensamblado de fibras rectilfneas revestidas. De acuerdo con un segundo modo de realizaci6n preferido, las piezas de inserci6n se fabrican segun el metodo descrito en la solicitud de patente FR 07/05454. Las piezas de inserci6n forman en este caso barras con fibras ceramicas en una matriz metalica. Estos son elementos rectilfneos ya compactados en compresi6n isostatica en caliente.
Se ponen en posici6n las lengOetas 14 sobre las piezas de inserci6n 11 con la parte central 14c a lo largo de la pieza de inserci6n y las partes de extremo 14a y 14b al final de la pieza de inserci6n 11.
Se colocan las placas y se sueldan al vacfo sobre las caras del cuerpo 10.
Se introducen los recipientes asf preparados en una envuelta para compresi6n isostatica en caliente.
Se calientan y se ponen en compresi6n para una compactaci6n del recipiente.
La pieza en bruto obtenida esta lista para su mecanizaci6n. Se obtiene, por ejemplo, la pieza de la figura 2. En lugar de disponer separadamente las lengOetas 14 y la placa 12, se pueden realizar estas dos partes en una sola
pieza por mecanizaci6n de las lengOetas en una placa gruesa. El resultado obtenido es el mismo a priori. El procedimiento de la invenci6n permite asf realizar cualquier pieza de forma alargada que incorpore una o varias piezas insertas rectilfneas.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de fabricaci6n de una pieza metalica reforzada de fibras ceramicas, segun el cual se mecanizan, en un cuerpo metalico (10) que presenta una cara superior (10A, 10B), al menos un alojamiento para una pieza de inserci6n, 5 se dispone al menos una pieza de inserci6n (11), formada de un haz de fibras de matriz metalica, en el
    alojamiento, se coloca una cubierta metalica (12) sobre el cuerpo de manera que cubra la pieza de inserci6n (11), se suelda la cubierta (12) sobre el cuerpo metalico (10), se trata el conjunto del cuerpo metalico con la cubierta por compresi6n isostatica en caliente y
    10 se mecaniza dicho conjunto tratado para obtener la citada pieza, caracterizado por el hecho de que la pieza de inserci6n (11) es rectilfnea, y el alojamiento forma una ranura rectilfnea (10A1, 10A2, 10B1, 10B2) que se prolonga mas alla de la pieza de inserci6n y esta abierta por cada extremo, siendo la citada ranura rellenada por una lengOeta (14) en el momento del cierre por medio de la cubierta (12).
    15 2. Procedimiento segun la reivindicaci6n precedente, de acuerdo con el cual la lengOeta (14) es solidaria de una placa (12) que forma la cubierta.
  2. 3. Procedimiento segun la reivindicaci6n precedente, de acuerdo con el cual el cual la lengOeta es solidaria de la placa y es obtenida por mecanizaci6n de una placa gruesa para formar la cubierta.
  3. 4.
    Procedimiento segun la reivindicaci6n 1, en el que la lengOeta (14) esta separada de la placa (12) de 20 cubierta.
  4. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, de acuerdo con el cual se mecaniza un chaflan (10A1', 10A2', 10B1', 10B2') en el borde superior de la ranura (10A1, 10A2 10B1, 10B2) que forma el alojamiento de la pieza de inserci6n (11).
  5. 6.
    Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, de acuerdo con el cual la pieza de inserci6n 25 es de secci6n transversal poligonal, particularmente rectangular, ovalada o circular.
  6. 7.
    Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, en el que la pieza de inserci6n se forma de fibras revestidas de metal ensambladas en forma de haz.
  7. 8.
    Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6, de acuerdo con el cual la pieza de inserci6n se forma de fibras ceramicas en una matriz metalica.
    30 9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, de acuerdo con el cual se dispone al menos una segunda pieza de inserci6n en l cuerpo metalico.
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