FR2561712A1 - Blindage thermique composite pour composants de moteur et procede de formation - Google Patents

Blindage thermique composite pour composants de moteur et procede de formation Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN BLINDAGE COMPOSITE POUR UN COMPOSANT DE MOTEUR QUI COMPREND UN METAL DE SUBSTRAT AVEC UN BLINDAGE THERMIQUE COMPOSITE COUVRANT UNE PARTIE D'UNE SURFACE EXTERNE DE CE COMPOSANT. SELON L'INVENTION, LE BLINDAGE COMPREND UNE COUCHE DE METAL SOLIDE EXTERNE 16, UNE PREMIERE COUCHE DE METAL PERMEABLE 22, UNE COUCHE DE METAL INTERNE SOLIDE 24 ET UNE SECONDE COUCHE PERMEABLE 18, LES INTERSTICES DE LA SECONDE COUCHE PERMEABLE ETANT SENSIBLEMENT REMPLIS DU METAL DU SUBSTRAT 20. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A L'INDUSTRIE AUTOMOBILE.

Description

I La présente invention se rapporte généralement à la préparation et à
l'utilisation de blindages thermiques pour des composants de moteur. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des compositions de couches purement métalliques dans de tels buts. Les moteurs à combustion interne deviennent de plus en plus efficaces tandis que les températures superficielles de la face du piston augmentent. Un blindage thermique permettra des températures superficielles de la face considérablement plus élevées, sans rupture d'une tête du piston, que celles autrement
possibles dans la pratique conventionnelle.
De nombreux blindages thermiques composites selon l'art antérieur ont été suggérés, mais peu ont eu un succès pratique. La plupart comprenaient une couche de céramique exposée employée en combinaison avec des couches sousjacentes adjacentes d'autres matériaux d'isolement thermique comme un isolement métallique. Typiquement, les couches de céramique sont appliquées aux couches métalliques par des techniques de dép8t électrostatique, et plus particulièrement par pulvérisation de plasma. Un inconvénient principal des produits composites céramiques selon l'art antérieur tels qu'utilisés avec des couches métalliques, était la difficulté d'adhérence des céramiques aux matériaux métalliques. En fait, un grand nombre des ruptures des céramiques peut être attribué aux agents de liaison employés pour créer une adhérence de la céramique aux métaux. Souvent, les céramiques sont soumises soit à une séparation catastrophique, ou bien elles s'écaillent graduellement dans les dures conditions
de combustion.
Le blindage thermique composite réyélé ici comprend un système considérablement perfectionné pour sa
fixation au substrat en métal d'un composant du moteur.
Tel quel, le mécanisme d'attachement du blindage soulage les problèmes de durabilité du moteur associés aux systèmes de liaison selon l'art antérieur. Dans une forme préférée, une couche solide externe d'un métal résistant à la chaleur et à la corrosion, de préférence en acier inoxydable, est employée soit en tant que couche en
feuille préformée ou bien couche déposée électrosta-
tiquement. La couche solide de métal est d'abord liée à une couche perméable de métal pour former un composite. Le composite est alors mécaniquement fixé au métal du substrat d'un composant de moteur par entraÂnement sensible ou infiltration du métal du substrat dans la couche perméable en métal. Dans une forme préférée, l'infiltration est obtenue pendant un processus de moulage o le matériau du substrat, par exemple un alliage d'aluminium, est forcé dans la couche perméable du produit composite tandis que le métal du substrat est à l'état fondu. Lors de la mise en forme, le composant est retiré du moule et il comprend le blindage thermique composite ayant une couche externe de métal résistant à la chaleur et à la corrosion formant sa partie exposée pour être
directement soumise à un environnement de combustion.
Dans un autre mode de réalisation préféré, une couche perméable double est employée, avec une feuille métallique ou "barrière" placée entre deux couches du métal perméable. La couche supérieure du métal perméable est contenue entre la couche exposée résistant à la corrosion et la couche en feuille métallique, et sert ainsi de couche d'isolement. La couche perméable inférieure permet la fixation mécanique du produit composite tel que décrit ci-dessus, tandis que la barrière empêche le métal fondu de s'infiltrer dans la couche
perméable supérieure.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale fragmentaire d'un piston qui contient le blindage thermique composite de la présente invention; et la figure 2 est une vue en coupe transversale
fragmentaire d'un autre mode de réalisation préféré.
Bien que l'invention révélée ici soit appropriée à des composants de moteur en général, un mode de réalisation préféré concerne la construction de la tête du piston. En se référant d'abord à la figure 1, un piston 10 est un exemple d'un composant de moteur utilisant un blindage thermique composite 12 à sa partie supérieure ou de face 14. La barrière thermique composite 12 se compose de deux couches métalliques, une couche externe et exposée 16 en un métal de forte résistance à la chaleur et à la corrosion et une couche 18 en un métal perméable comme, par exemple, une maille filamentaire en métal. Les deux
couches métalliques 16 et 18 sont de préférence agglomé-
rées ou brasées ensemble, bien qu'elles puissent également être liées l'une à l'autre par d'autres moyens, comme une soudure par points ou par résistance. Comme autre exemple, la couche solide 16 peut être déposée électrostatiquement sur la couche perméable 18. Dans le mode de réalisation préféré tel que décrit ici, une couche solide en acier
inoxydable 16 et une couche d'une maille d'acier inoxy-
dable filamentaire 18 sont agglomérées ensemble par un processus de liaison par diffusion dans un environnement
inerte à environ 1150 C.
Dans lemode de réalisation préféré du piston , son corps se compose d'un métal 20 de substrat en alliage d'aluminium. La fixation du blindage thermique composite 12 au métal du substrat en aluminium 20 dans le cas de la présente invention peut être accomplie par tout moyen forçant le métal du substrat 20 à être entratné ou s'infiltrer dans les interstices de la couche perméable en métal 18. Dans le mode de réalisation tel que décrit ici, le procédé préféré consiste à produire cette fixation mécanique pendant la formation du piston 10 dans un processus de moulage o un substrat en aluminium fondu est versé et maintenu à 650-705 C, tandis que le moule est soumis à des pressions d'environ 690 bars. Les gammes de températures et de pressions dépendront au moins partiellement de l'alliage de métal mis en cause. Dans la forme préférée, un moule de piston (non représenté) permet une technique de moulage du piston "retourné" o le piston est moulé en position inversée ou la face vers le bas. Les couches 16 et 18 sont d'abord jointes l'une à l'autre de préférence sous la forme d'une feuille plate, o une matrice est d'abord employée pour former le composite 12 selon l'un des procédés décrits cidessus. Le produit composite formé est alors placé dans le moule avec la couche de métal solide externe 16 en son fond, et la couche de métal perméable 18 tournée vers le haut. Le métal 20 du substrat du piston est alors versé en tant que liquide fondu sur le produit composite 12, et il est placé sous une pression suffisante pour le forcer dans les interstices de la couche perméable 18. Dans la pratique préférée de la présente invention, la pénétration de la couche de métal perméable 18 par le métal du substrat 20
du corps du piston 10 est virtuellement de 100 %.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, il n'est pas nécessaire que la couche solide exposée 16 s'étende vers le bas au-delà des bords ou c8tés de la couche perméable pour contacter le métal du substrat 20 pour enfermer totalement la couche 18. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'enfermer la couche perméable en métal 18 puisque la couche 18 est totalement entraînée par le métal du susbtrat 20, et n'agit pas principalement comme couche d'isolement. En se référant maintenant à la figure 2, un piston 10' comprend un second mode de réalisation préféré d'un blindage thermique composite 12' qui comprend une couche d'isolement 22. Le produit composite 12' comprend quatre couches distinctes, comportant des couches 16' et 18' qui sont analogues aux couches solide et perméable respectivement du mode de réalisation du piston 10 de la figure 1. Le produit composite 12' comprend cependant deux couches supplémentaires qui sont prises en sandwich entre les couches analogues 16' et 18'. Ainsi, une couche d'isolement 22, bien que formée en un métal perméable identique à celui utilisé pour former la couche 18', est disposée pour rester totalement libre d'entraînement ou d'infiltration par le métal du substrat 20 du corps du piston 10'. Une couche solide interne 24, également de préférence du même métal que les couches perméables 18' et 22 pour la facilité de la liaison, est prise en sandwich entre les deux couches perméables en métal. Ainsi, ceux qui sont compétents en la matière verront que la couche solide intermédiaire 24 ne permettra qu'à la couche perméable inférieure en métal 18' d'être entraînée par le
métal du substrat 20 pendant la formation du piston 10'.
La couche perméable supérieure 22 restera libre et exempte de tout métal du substrat 20, et servira ainsi simplement d'élément isolant. La couche 24 sert de barrière à toute quantité d'infiltration du métal du substrat dans la couche 22, et garantit ainsi que la couche d'isolement 22 fonctionnera comme on le souhaite. Sans barrière 24, l'intégrité de la couche d'isolement 22 ne serait pas
facilement contrôlée pendant le processus de moulage.
Bien que le mode de réalisation de cette invention montré sur la figure 2 ne comprenne qu'une couche perméable d'isolement 22 entre une couche 16' de métal solide "externe" et une couche 24 de métal solide formant "barrière", la présente invention permet néanmoins
l'incorporation de plusieurs de ces couches isolantes 22.
Par exemple, dans des applications sujettes à des plages de températures extrêmes, il peut être souhaitable d'employer plusieurs de ces couches 22, chacune en sandwich entre des paires de couches intermédiaires solides en métal 24. Dans de tels cas, les couches intermédiaires solides supplémentaires 24 ne serviront pas de barrière à l'infiltration du métal du substrat mais serviront à assurer les capacités d'isolement de chacune des couches perméables 22. Ainsi, chaque couche 22 aura son propre effet d'isolement, séparé de celui de toute couche adJacente 22, qui peut, pour une certaine raison, être défectueuse ou inadéquate par son isolement. La présente invention comprend par conséquent également l'incorporation du concept de l'accumulation ou de la
"disposition en couches" de telles couches isolantes 22.
En comparaison avec le mode de réalisation du piston 10 de la figure 1, la couche exposée de métal très résistante à la chaleur et à la corrosion 16' de la figure 2 couvre complètement et enferme toutes les zones de la couche perméable en métal 22, son bord 26 s'étendant jusqu'aux cotés de la couche 22 pour contacter le métal du substrat 20. Le bord 26 peut être soit resserréou soudé à la couche 24 formant "barrière". La couche d'isolement 22 est ainsi rendue totalement imperméable aux gaz de combustion et aux matières particulaires, et par
conséquent sert totalement d'élément isolant.
La couche isolante 22 de la figure 2 est normalement entraînée avec l'air, et bien entendu ne produira un effet isolant que si l'air est totalement piégé. Alternativement cependant, les interstices de la couche perméable d'isolement 22 peuvent 8tre remplis d'un gaz inerte autre que de l'air, ou même peuvent 8tre sous vide. Bien que l'invention ait été décrite et détaillée par rapport à un piston 10, 10', elle est totalement adaptée à de nombreux composants de moteur, comme les culasses en notant particulièrement la chambre de combustion, l'orifice d'échappement et les zones des valves d'admission. Certains autres composants en rapport avec le cylindre comme les alésages, les manchons et/ou les chemises peuvent également être appropriés pour une mise en pratique de la présente invention. Par ailleurs, bien que les couches métalliques préférées employées dans la présente invention soient décrites en terme de couche en acier inoxydable et fibreuses inoxydables sur le métal du substrat d'aluminium, d'autres couches composites peuvent être utilisées dans le cadre logique de cette invention. Ainsi, outre l'acier inoxydable comme exemple d'un métal résistant à la chaleur et à la corrosion, il y a plusieurs autres alliages comprenant le tungstène, le palladium et certains alliages de nickel et de chrome. En remplacement aux couches de métal fibreux 18, 22 et 18', d'autres couches métalliques perméables peuvent 8tre employées, comme par exemple une structure à squelette métallique. Un exemple de cette dernière est le matériau DUOCEL (marque déposée), une structure métallique rigide, très poreuse, totalement perméable avec une densité contrô8lée du métal par volume unitaire, et qui est commercialisé dans de nombreux métaux différents. Enfin, un autre métal pour le métal 20 du substrat d'aluminium
peut être de la fonte.
A titre d'exemple spécifique, certaines compositions spécifiques préférées de métal et certaines épaisseurs de couches ont été utilisées dans les formations ci-dessus décrites des barrières thermiques composites 12, 12' pour fixation au métal du substrat 20, ' des faces de piston 14, 14'. Si, par exemple, on utilise une couche d'acier inoxydable déposée électrostatiquement 16, 16', une telle couche peut être formée d'acier inoxydable en poudre METC0 41-C (marque déposée) ayant environ 0, 38-0,51 mm d'épaisseur. Si une couche préformée 16, 16' est utilisée, la couche peut être formée d'une feuille de 0,51-0,635 mm d'épaisseur d'un acier inoxydable AISI 304, et elle est de préférence agglomérée ou brasée directement sur la couche en métal perméable 18, 22, avant, bien entendu, la technique de moulage retourné décrite. Les couches 18, 22, et 18' dans un mode de réalisation préféré sont une maille de fil d'acier inoxydable d'environ 1,016 à 1,524 mm d'épaisseur, ayant une densité du métal à l'air de 65 %, une maille
ASTM de 18 et formée en un fil métallique AISI C-14.
Dans un autre mode de réalisation préféré, les couches 18, 22 et 18' se composent d'un métal en fibre tissée, disponible soit sous la forme d'acier inoxydable AISI du type 316 ou du type 304. La nature tissée de ces derniers choix permet un contr8le de qualité des densités souhaitées du fil lié par diffusion. Par exemple, un mode de réalisation réussi a employé un tamis de maille 60 avec
un diamètre du fil de 0,19 mm.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1.- Blindage thermique pour un composant de moteur comprenant un métal de substrat, ledit blindage thermique composite recouvrant une partie d'une surface externe dudit composant, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de métal externe solide (16'), une première couche de métal perméable (22) liée à ladite couche de métal externe solide, une couche de métal interne solide (24), et une seconde couche de métal perméable (18') ladite couche de métal solide interne étant placée entre et liée, sur ses c8tés opposés, auxdites première et seconde couches de métal perméable, les interstices de ladite seconde couche de métal perméable étant sensiblement remplisdudit métal du substrat (20), ainsi ledit blindage thermique composite est mécaniquement fixé au métal du substrat dudit composant de moteur, et ledit métal du substrat s'étend dans lesdits interstices uniquement de ladite seconde couche de métal perméable, ladite couche de métal solide interne étant disposée pour emp8cher le métal du substrat d'entrer dans ladite première couche de métal perméable pendant la fabrication
dudit composant.
2.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche de métal solide s'étend sur les sommets et les cStés de la première couche
de métal perméable.
3.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche de métal solide
comprend un acier inoxydable.
4.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche de métal solide
comprend un alliage de tungstène.
5.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche de métal solide
comprend un alliage de palladium.
6.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche de métal solide
comprend un alliage de nickel et de chrome.
7.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal perméable se compose d'une
maille de fil métallique filamentaire.
8.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal perméable se compose d'une maille de fil métallique filamentaire, ladite maille étant
composée de couches tissées d'acier inoxydable.
9.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal perméable se compose d'un
matériau à squelette métallique.
10.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal du substrat est un alliage d'aluminium.
11.- Blindage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal du substrat est de la fonte.
12.Procédé de formation d'un blindage thermique composite en combinaison avec un élément d'un moteur à combustion interne formant un substrat en- métal, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de lier une couche solide de métal à une face d'une couche du métal perméable, puis de couler ledit métal du substrat dans ladite couche de métal perméable, les interstices de ladite couche perméable étant sensiblement remplis dudit
métal du substrat.
13.- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de lier une couche solide d'un métal à la première face de la couche du métal
perméable consiste à agglomérer lesdites couches ensemble.
14.- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de lier une couche solide d'un métal à la première face de la couche du métal
perméable consiste à braser lesdites couches ensemble.
15.- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de lier une couche solide de métal à la première face de la couche du métal perméable comprend le dépôt électrostatique de la couche solide sur
la couche perméable.
16.- Procédé de formation d'un blindage thermique composite en combinaison avec un élément d'un moteur à combustion interne formé d'un métal de susbstrat, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de lier une première couche solide de métal à une face d'une première couche d'un métal perméable, de lier une seconde couche solide du métal à la face opposée de la première couche du métal perméable, de lier une seconde couche du métal perméable à la seconde couche solide de métal et de mouler ledit métal du substrat dans ladite seconde couche en
métal perméable.
17.- Procédé selon l'une quelconque des
revendications 12 ou 16, caractérisé en ce que l'étape de
moulage comprend l'application de pression de l'ordre de
690 bars.
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