ES2388887T3 - Procedimiento de fabricación de piezas con inserto de material compuesto de matriz metálica - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de fabricación de una pieza metálica (20; 50'; 70') reforzada por fibras cerámicas, que comprenden las etapas sucesivas siguientes: - formación de al menos un inserto (15) por ensamblaje en haz de fibras cerámicas revestidas de metal, - incorporación del inserto (15) en un molde (10; 50; 70) metálico hueco de tal forma que el inserto (15) esté dispuesto en la cavidad, quedando separado de las paredes (10a, 10b) del molde, - llenado del molde (10; 50; 70) con un polvo metálico (18), - colocación de una tapa que cierra el molde, - puesta bajo vacío del recinto y cierre de manera estanca por soldadura del molde (10; 50; 70), - compresión isostática en caliente del conjunto a una temperatura y una presión suficientes para ligar las partículas del polvo y las fibras revestidas del inserto (15), - eliminación del molde (10; 50; 70) y mecanizado, dado el caso, hasta la forma deseada.

Description

Procedimiento de fabricaci6n de piezas con inserto de material compuesto de matriz metalica.
La presente invenci6n concierne a un procedimiento de fabricaci6n de una pieza metalica que presenta un refuerzo de material compuesto de matriz metalica del tipo de fibras ceramicas en una matriz metalica.
5 En el ambito aeronautico se busca, en particular, realizar piezas que presenten unas propiedades mecanicas 6ptimas para una masa tan pequefa como sea posible. Con este objeto se incorpora en ciertas piezas un inserto de material compuesto de matriz metalica. Este material comprende fibras ceramicas, de carburo de silicio, por ejemplo, incrustadas en una matriz metalica, tal como una aleaci6n de titanio. Las fibras ceramicas presentan la propiedad de una resistencia muy grande a la tracci6n y en compresi6n, superior a la del metal. La matriz metalica asegura una
10 funci6n de aglutinante con la pieza, asi como de protecci6n y de aislamiento de las fibras.
Un procedimiento conocido de fabricaci6n de tales piezas con refuerzo comprende la realizaci6n de un bobinado de hilo revestido alrededor de un mandril. El bobinado se incorpora a continuaci6n en un contenedor o cuerpo principal metalico en el cual se ha mecanizado previamente una ranura que forma un alojamiento. La profundidad de la ranura es superior a la altura del bobinado. Se coloca una tapa sobre el contenedor y se la suelda a su periferia. La 15 tapa presenta una espiga de forma complementaria a la de la ranura y su altura se adapta a la del bobinado colocado en la ranura de forma que se llene la ranura. Se procede a continuaci6n a una etapa de compresi6n isostatica en caliente en el curso de la cual se compacta el bobinado con la espiga. Las fundas metalicas de los hilos revestidos se sueldan entre ellas y con las paredes de la ranura por difusi6n para formar un conjunto denso compuesto de aleaci6n metalica en el seno del cual se extienden anularmente las fibras ceramicas. La pieza
20 obtenida se mecaniza a continuaci6n en la forma deseada.
Con el objeto de simplificar la fabricaci6n de tal pieza y en lugar de fabricar el inserto por separado y despues transferirlo a la ranura del cuerpo principal, la patente FR 2886290 a nombre de Snecma propone realizar el bobinado directamente sobre el cuerpo principal. En lugar de una ranura, se disponen dos hombres en este. El primero presenta una superficie de apoyo para el bobinado directo de un hilo revestido. Esta superficie es paralela a
25 la direcci6n de bobinado. Cuando se acaba el bobinado, se reconstituye la ranura colocando una pieza sobre el cuerpo principal que tiene forma complementaria a la de un segundo hombro que forma un escal6n con respecto al primer hombro. Oespues se dispone la tapa con la espiga sobre el inserto que se acaba de bobinar y se procede al compactado del conjunto.
Las tecnicas de fabricaci6n mencionadas anteriormente implican una mecanizaci6n precisa de los alojamientos y,
30 despues de la realizaci6n del boceto de pieza con puesta en compresi6n del inserto y soldadura de los elementos entre ellos, una operaci6n de mecanizaci6n para obtener la pieza. Estas operaciones implican asi no s6lo un mecanizado de una cantidad de material importante, sino tambien unos mecanizados delicados de realizar. Por estas razones, el coste de fabricaci6n de este tipo de pieza es importante y es deseable reducirlo tanto como sea posible.
35 Por tanto, la invenci6n pretende mejorar la fabricaci6n de una pieza con un refuerzo de este tipo con el fin de reducir el coste de la misma.
Las etapas del procedimiento conforme a la invenci6n se enuncian en la reivindicaci6n 1.
Aplicando la tecnologia de los polvos segun una tecnica de compresi6n isostatica en caliente, se pueden realizar directamente unas piezas que presenten a la vez una gran precisi6n dimensional, altas prestaciones mecanicas y
40 una excelente homogeneidad metalurgica. Ademas, la geometria de la pieza resultante del procedimiento puede elegirse de forma que este lo mas cercana posible a la de la pieza definitiva, no necesitando ninguna operaci6n de mecanizaci6n o necesitandola en pequefa medida.
El procedimiento permite el empleo de uno o varios insertos de formas variadas segun la forma de la pieza y el refuerzo deseado. Cada inserto puede ser asi de forma anular. Puede ser mas particularmente asimetrico o
45 presentar al menos una porci6n rectilinea. Cuando el inserto es rectilineo, en forma de un segmento rectilineo, se le ha formado de preferencia a partir de hilos revestidos sometidos conjuntamente a un tratamiento de compresi6n isostatica en caliente.
Cuando se disponen al menos dos insertos en el molde, estos pueden superponerse. La disposici6n es funci6n de la estructura de la pieza a fabricar y de las propiedades mecanicas esperadas.
50 Con el fin de limitar las operaciones de mecanizado sobre el boceto obtenido, se disponen unos bloques en el interior del molde que reducen el volumen a llenar por el polvo metalico en las zonas en las que el material sera eliminado por mecanizado. Estos bloques delimitan unas cavidades en dicha pieza metalica, entre las zonas reforzadas por las fibras ceramicas.
Se conoce la patente EP 1.669.144, que se refiere a la fabricaci6n de un articulo metalico, tal como un alabe de 55 soplante hueco con un refuerzo interno, por la metalurgia de los polvos igualmente. No obstante, el procedimiento
pasa por la realizaci6n de una preforma y, despues, porla conformaci6n de esta ultima para realizar el articulo hueco. Tal procedimiento no resulta conveniente para la puesta en practica de la invenci6n.
Se conoce el documento GB 2.280.909, que se refiere a la fabricaci6n de una pieza metalica que comprende refuerzos de fibras ceramicas. Se enrollan las fibras revestidas de metal sobre un soporte. El conjunto se recubre con una hoja y el conjunto es sometido a una comprensi6n isostatico en caliente. No obstante, una tecnica de este tipo no permite la fabricaci6n de piezas a partir de un molde hueco en el cual se dispone un inserto prefabricado. Los dos documentos EP 997.549 y OE 4.335.557 no divulgan tampoco la formaci6n de un inserto a partir de una pluralidad de fibras.
Otras caracteristicas y ventajas de la invenci6n resultaran de la lectura de la descripci6n que sigue con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
La figura 1 representa un contenedor de la tecnica anterior para la realizaci6n de una pieza de forma alargada y con un inserto de material compuesto de matriz ceramica,
La figura 2 representa, visto desde arriba, un molde para la realizaci6n de piezas conforme a la invenci6n, sin su tapa.
La figura 3 representa, visto de costado en secci6n longitudinal, el molde de la figura 2.
La figura 4 representa, visto de costado en secci6n longitudinal, otro modo de soporte del inserto en el molde.
La figura 5 representa, vista de costado en secci6n longitudinal, una variante de molde para la obtenci6n de una pieza que posee mas material.
La figura 6 representa la pieza obtenida en un molde del tipo de la figura 5, vista en transparencia y con una parte arrancada.
La figura 7 representa, vista de costado en secci6n longitudinal, otra variante de molde para la obtenci6n de una pieza simetrica.
La figura 8 representa la pieza obtenida en un molde del tipo de la figura 7, vista en transparencia y con una parte arrancada.
La figura 9 representa la pieza obtenida en un molde del tipo del de las figuras 2, 3, 4 y 5, vista en transparencia.
Haciendo referencia a la figura 1, se ha representado un contenedor 4 de la tecnica anterior, de forma alargada, para la realizaci6n de una pieza con inserto de material compuesto de matriz metalica. Se ha mecanizado una ranura 41 en el contenedor con el fin de recibir un inserto 3. La ranura y el inserto son de forma complementaria, de manera que el inserto se ajuste sin holgura en la ranura. Una tapa 5 viene a recubrir el conjunto y comprende una superficie en voladizo, no visible en la figura, para formar un apoyo sobre el inserto en la ranura. El conjunto es puesto bajo vacio y la tapa es soldada por haz de electrones, por ejemplo. A continuaci6n, el conjunto de coloca en un recinto apropiado, donde se procede a su compresi6n isostatica en caliente sometiendolo a una presi6n y una temperatura elevadas (1000°C y 1000 bares). Las tecnicas de fabricaci6n con un inserto que comprende al menos una porci6n rectilinea se describen en las solicitudes de patente FR 07/05453 y FR 07/05454, de 26 de julio de 2007, a nombre de la solicitante.
El boceto asi realizado se mecaniza a continuaci6n para obtener la forma deseada. Como se muestra en las solicitudes de patente anteriores, se pueden obtener piezas que presenten formas complejas como las de los elementos de aterrizadores de aeronaves.
La soluci6n de la invenci6n permite obtener tales piezas de forma mas econ6mica.
Por una parte, se prepara un molde de acero con una forma hueca pr6xima a la de la pieza a fabricar.
Las figuras 2 y 3 muestran tal molde 10 para la realizaci6n de una pieza de forma globalmente alargada. Este molde es hueco con un fondo plano 10a y una pared 10b de espesor determinado y de altura correspondiente al espesor de la pieza acabada. Comprende unos bloques 11, 12 y 13 en el interior de la cavidad. Segun el ejemplo de esta figura, los bloques estan a una altura que les permite ponerse en contacto con una tapa 14 que cierre el molde. No obstante, la altura puede ser menor, tal como se representa en la figura 5.
En el molde se dispone un inserto 15. Este inserto comprende aqui dos porciones rectilineas entre dos porciones en semicirculo. En el caso de este tipo de inserto, las partes rectilineas pueden ser paralelas o no y las porciones semicirculares pueden ser del mismo diametro o no.
El inserto se realiza, de forma no limitativa, segun uno de los metodos preconizados por la patente FR 2886290. Este comprende la estructura de los hilos revestidos, su fabricaci6n, la fabricaci6n de una napa ligada de hilos
revestidos, la solidarizaci6n de esta napa sobre el soporte metalico sobre el cual esta enrollada o a la napa de capa inferior, la soldadura de hilos por laser o por contacto entre dos electrodos. En la medida en que el inserto comprende al menos una porci6n rectilinea, este se realiza mas particularmente segun uno de los metodos presentados en las solicitudes de patente FR 07/05453 o FR 07/05454, de 26 de julio de 2007, a nombre de la solicitante. Asi, puede obtenerse el inserto a partir de una pluralidad de hilos revestidos que comprenden, cada uno, una fibra ceramica envuelta por una funda metalica con una etapa de bobinado alrededor de una pieza de revoluci6n, efectuandose una parte del bobinado segun una direcci6n rectilinea. En el caso de que el inserto forme un segmento rectilineo, puede obtenerse a partir de un boceto de inserto con una porci6n rectilinea que se compacta y despues se corta en segmentos rectilineos.
El inserto se coloca en el interior de la cavidad, quedando separado de las paredes del molde. Un medio para mantener el inserto en el molde consiste en disponer este sobre un soporte 16 que, dado el caso, es de una anchura correspondiente a la del inserto, y sobre toda la longitud de este ultimo o sobre unos peones distribuidos bajo el inserto. Este soporte es, de preferencia, del mismo metal que el polvo.
Segun una variante, el soporte puede consistir en una pieza 16' de secci6n en forma de L, tal como se representa en la figura 4. En este caso, el soporte esta constituido, ventajosamente, por el mandril sobre el cual se ha bobinado el hilo revestido para constituir el inserto, tal como se describe en la patente FR2886920, que no forma parte de esta invenci6n.
Se llena el molde de polvo de metal 18. En este tipo de aplicaci6n el metal puede ser una aleaci6n de titanio, tal como la aleaci6n TA6�, o bien una aleaci6n de niquel, tal como inconel 625, o incluso un acero inoxidable. Se trata de una aleaci6n en una forma granulometrica apropiada para ser utilizada en la metalurgia de los polvos.
El polvo puede introducirse en el molde en parte antes de la colocaci6n del inserto, eventualmente con precompactado. A continuaci6n, se llena el molde.
Se dispone la tapa 14 sobre el molde asi lleno y se procede a la puesta bajo vacio de la cavidad. El recinto se cierra finalmente de manera estanca por soldadura.
Se coloca el molde asi preparado en un recinto de compresi6n isostatica en caliente. El recinto permite asi mantener la pieza a una temperatura de 1000°C y una presi6n de 1000 bares durante varias horas. En estas condiciones, el molde se deforma debido a la reducci6n de volumen de entre el 20� y el 25�, a la vez del inserto y del polvo.
Oespues de esta operaci6n, el polvo esta completamente densificado y no queda ninguna porosidad. Todas las partes en contacto estan soldadas por soldadura de difusi6n. Los hilos revestidos estan soldados entre ellos formando una matriz en el interior de la cual estan contenidas las fibras ceramicas. El metal que constituye la matriz del inserto es el mismo que el que constituye el polvo. No obstante, puede ser distinto.
El molde se retira seguidamente por disoluci6n selectiva acida o mecanicamente. Oado el caso, se mecaniza la pieza para obtener la forma deseada.
Este procedimiento permite variar la realizaci6n de las piezas. En el ejemplo anterior los bloques se extienden sobre toda la altura de la cavidad del molde. Se ha utilizado un minimo de material. Se obtiene una pieza 20, tal como la representada en la figura 9, con unas aberturas 21, 22 y 23 pasantes. El inserto 15 integrado en la masa puede verse por transparencia.
Se ha representado en la figura 9 un ejemplo de pieza que es asi posible de realizar aplicando la invenci6n. Su coste de obtenci6n se reduce aproximadamente un 30� con respecto a una tecnica que aplique mecanizaci6n despues de la compresi6n en caliente.
En el ejemplo de la figura 5, los bloques 51, 52, 53 del molde 50 se extienden s6lo en parte de la altura de la cavidad del molde. Se obtiene una pieza 50' con unas partes aligeradas 51', 52' 53', pero sin ninguna abertura pasante, tal como se ve en la figura 6. El inserto es visible por transparencia en la figura.
En el ejemplo de la figura 7 se utilizan un molde 70 y su tapa 71 asociada, que presentan unos bloques simetricos 72, 73 con respecto a una pared 74 mediana. El molde 70' de la figura 8 es simetrico.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de fabricaci6n de una pieza metalica (20; 50'; 70') reforzada por fibras ceramicas, que comprenden las etapas sucesivas siguientes:
    -
    formaci6n de al menos un inserto (15) por ensamblaje en haz de fibras ceramicas revestidas de metal,
    5 -incorporaci6n del inserto (15) en un molde (10; 50; 70) metalico hueco de tal forma que el inserto (15) este dispuesto en la cavidad, quedando separado de las paredes (10a, 10b) del molde, -llenado del molde (10; 50; 70) con un polvo metalico (18), -colocaci6n de una tapa que cierra el molde, -puesta bajo vacio del recinto y cierre de manera estanca por soldadura del molde (10; 50; 70),
    10 -compresi6n isostatica en caliente del conjunto a una temperatura y una presi6n suficientes para ligar las particulas del polvo y las fibras revestidas del inserto (15), -eliminaci6n del molde (10; 50; 70) y mecanizado, dado el caso, hasta la forma deseada.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicaci6n anterior, en el que el inserto (15) tiene forma anular, en particular una forma asimetrica.
    15 3. Procedimiento segun la reivindicaci6n 1, en el que el inserto (15) presenta al menos una porci6n rectilinea.
  3. 4.
    Procedimiento segun la reivindicaci6n 1, en el que el inserto (15) es rectilineo y se ha formado a partir de hilos revestidos sometidos conjuntamente a un tratamiento de compresi6n isostatica en caliente.
  4. 5.
    Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se dispone el inserto (15) en el molde (10) por la intermediaci6n de un soporte (16, 16').
    20 6. Procedimiento segun la reivindicaci6n anterior, en el que el soporte (16') es el mandril de bobinado del inserto.
  5. 7.
    Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se disponen al menos dos insertos en el molde.
  6. 8.
    Procedimiento segun la reivindicaci6n anterior, en el que se disponen los dos insertos de manera que esten superpuestos.
    25 9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se disponen unos bloques (11, 12, 13; 51, 52, 53; 72, 73) en el molde (10, 50, 70), delimitando los bloques las cavidades en dicha pieza metalica, entre las zonas reforzadas por las fibras ceramicas.
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