FR2573345A1 - Disque de friction en matiere composite a base de carbone et son procede de fabrication - Google Patents

Disque de friction en matiere composite a base de carbone et son procede de fabrication Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISQUE DE FRICTION EN MATIERE COMPOSITE CARBONE-CARBONE. DEUX OU PLUS DE DEUX COMPOSANTS STRUCTURAUX 10, 11 A BASE DE CARBONE D'UN DISQUE DE FRICTION SONT LIES ENSEMBLE AU MOYEN D'UNE COUCHE D'INTERFACE 13 QUI NE CONSTITUE PAS ELLE-MEME UN ELEMENT STRUCTURAL MAIS QUI EST LIEE PAR FUSION AVEC LES DEUX ELEMENTS STRUCTURAUX POUR LES FIXER ENSEMBLE; CETTE COUCHE D'INTERFACE PEUT ETRE FORMEE D'UN MATERIAU METALLIQUE TEL QU'UN COMPOSE DE BRASAGE OU BIEN ELLE PEUT ETRE FORMEE D'UN MATERIAU NON METALLIQUE COMME DE LA POIX. APPLICATION AUX DISQUES DE FREINS D'AVIONS.

Description

La présente invention concerne la liaison de composants à base de carbone
pour des disques de friction pour freins ou embrayages, et en particulier des disques
de friction en matière composite carbone-carbone.
Des disques de freins pour avions peuvent être constitués d'une matière composite carbone-carbone dans laquelle des couches de toile en fibres de carbone sont fixées dans une matrice de carbone dense qui peut être déposée par différents moyens pour constituer la structure composite. Un procédé de dépôt de la matrice de carbone consiste à opérer par dépôt par vaporisation chimique de carbone à partir d'hydrocarbures gazeux sur un substrat en
fibres de carbone dans un four sous vide à haute tempéra-
ture. Un autre procédé consiste à carboniser des substances organiques telles que des résines qui ont été infiltrées dans une masse de fibres de carbone. Dans l'un ou l'autre cas, le procédé de fabrication d'un disque de frein est long et coûteux et il est par conséquent tout à fait souhaitable de trouver des moyens permettant la réparation de disques de frein qui ont pu être usés ou endommagés en service. Un objet de l'invention est de créer un procédé pour fixer ensemble deux pièces de carbone, appropriées pour être utilisées dans les conditions très sévères régnant dans l'environnement d'un frein en carbone qui est soumis, en service, à des températures élevées et à des chocs
thermiques importants.
On a proposé, par exemple dans le brevet US n 3 800 392, de fabriquer des "plaques d'usure" minces en carbone ou en graphite pour un ou les deux côtés d'un disque central en carbone de manière que, après usure du disque central, les plaques d'usure puissent être fixées sur des faces rectifiées du disque central. Des attaches métalliques ou des rivets ont été proposés pour fixer ensemble de tels disques centraux et des plaques d'usure mais ces moyens peuvent produire un incident par fusion ou déformation des attaches métalliques dans les conditions thermiques sévères régnant dans l'environnement d'un frein en carbone et, puisque une telle attache ou rivet assure seulement la
fixation des composants en carbone dans la zone immédiate-
ment adjacente à l'attache ou au rivet, les zones qui ne
sont pas immédiatement adjacentes, comme une partie locali-
sée de fixation, peuvent se déformer en provoquant à nouveau
un incident.
On a constaté qu'il n'existe aucun moyen autre que des attaches ou des rivets métalliques pour fixer ensemble de façon satisfaisante des disques de frein en carbone, ou des parties de disquE de frein en carbone,
en tenant compte de l'obligation de résister à des tempéra-
tures jusqu'à 1000lC en service normal lors de freinages
effectués sur des pistes d'atterrissage.
Cependant on a découvert qu'il était possible, lors de la fabrication d'un disque de friction en matière composite, de lier ensemble des surfaces en carbone avec
une couche d'interface non-structurale, métallique ou non-
métallique et fusible avec un point de fusion élevé, en créant un joint capable de résister à de très hautes
températures et à de très forts chocs thermiques.
Conformément à l'invention, un disque de friction en matière composite carbone-carbone comprend deux ou plus de deux composants structuraux à base de carbone qui sont fixés ensemble par une couche d'interface nonstructurale qui est liée par fusion aux deux composants structuraux à
base de carbone.
Egalement conformément à l'invention, un procédé pour lier eremble deux ou plus de deux composants structuraux à base de carbone d'un disque de friction consiste à fondre une couche d'interface non structurale pour fixer la couche d'interface sur les deux composants à
base de carbone.
La définition de la couche d'interface comme non-structurale " est destinée à signifier que l'épaisseur de la couche d'interface est insuffisante pour créer par elle-même une rigidité structurale importante, cette couche
étant seulement nécessaire pour fixer ensemble les compo-
sants en carbone qui donnent au disque final la rigidité et la résistance nécessaires. La couche d'interface
agit par conséquent comme un adhésif.
Dans un exemple, deux disques de friction en matière composite carbonecarbone peuvent être chacun meulés à légèrement plus de la moitié de l'épaisseur nominale normale d'un tel disque de friction et les deux
demi-disques sont fixés ensemble par une couche d'inter-
face constituée d'un alliage à haut point de fusion et
liée par fusion.
Dans un autre exemple, un disque de friction en matière composite carbonecarbone peut comprendre un
bloc de matière composite carbone-carbone réalisé séparé-
ment, par exemple une clavette d'entraînement, qui est fixé dans une encoche préalablement ménagée dans le disque au moyen d'une couche d'interface constituée d'un alliage
à haut point de fusion et liée par fusion.
Deux modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits, en référence aux dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective de deux disques en matière composite carbone-carbone, de demiépaisseur, qui ont été réalisés à partir de disques de stator d'avion complètement usés; la figure 2 montre les disques de demi-épaisseur de la figure 1 qui ont été fixés ensemble pour former un disque de stator d'épaisseur complète; la figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'un disque de rotor de frein d'avion constitué d'une matière composite carbone-carbone, en même temps qu'un bloc de matière composite carbonecarbone qui a été réalisé séparément et qui doit être fixé sur le disque de rotor dans une encoche préalablement réalisée; et la figure 4 montre le disque de la figure 3 dans lequel le
bloc a été fixé en position dans l'encoche.
Les disques de stator 10 et 11 représentés sur la figure 1 sont constitués d'une matière composite carbone-carbone et, conformément à l'invention, ils ont chacun une épaisseur légèrement plus grande ( dans la direction axiale du disque) que la moitié de l'épaisseur d'un disque non usé d'un frein à disques pour avion. Les disques 10 et 11 sont en fait réalisés par meulage de disques qui ont déjà terminés une période normale de service dans un frein d'avion et qui ont été usés au delà de la tolérance admissible. Des attaches métalliques qui peuvent être montées sur les disques pour protéger les
zones d'encoches d'entraînement sont enlevées avant meulage.
Des faces meulées opposées des disques 10 et 11 ( seule la face 12 du disque 10 est visible sur les dessins) sont enduites sur une épaisseur de 0,2 à 0,3 millimètre d'une pâte se composant d'un composé de brasage
formé d'un alliage pulvérulent de haut point de fusion.
Le composé ( Exemple 1) connu sous la dénomination
NICROBRAZ 180 ( marque déposée), produit par "Wall Colmo-
noy " a la formule suivante: Exemple 1 % Chrome 5,0 Bore 1,8 Silicium 3,0 Fer 1,0 Carbone 0,25 Nickel complément Les disques 10 et 11 sont placés l'un sur l'autre, avec entre eux la couche 13 de NICROBRAZ 180 ( marque déposée).- Les disques sont positionnés avec précision pour aligner les encoches d'entraînement 14 des disques respectifs et ils sont chauffés dans un four à vide opérant sous un vide inférieur à 103 millimètres de mercure jusqu'à 1200C, les disques étant maintenus l'un contre l'autre à une pression de blocage de 0,2 à 0,3 MegaNewton
par mètre carré.
Les disques snt maintenus pendant 30 minutes sous la pression de blocage tout en étant refroidis par un gaz inerte tel que de l'azote et ils sont ensuite enlevés du four. L'excès de métal est enlevé des bords et le disque composite terminé, représenté sur la figure 2, est finalement usiné jusqu'à l'épaisseur nécessaire, et de nouvelles attaches métalliques sont montées aux endroits nécessaires pour renforcer les zones d'entraînement de la manière classique. Lors d'un examen radiographique, on a trouvé qu'avec le procédé décrit ci-dessus on obtenait un recou- vrement supérieur à 75 % de la partie de disque se trouvant dans la région d'interface et qu'une liaison solide était établie entre la couche d'interface en métal
13 et les deux disques 10, 11 en matière composite carbone-
carbone. Des mesures de conductibilité thermique ont montré que les disques précités avaient une conductibilité proche de celle des disques d'origine et des essais effectués avec un dynamomètre ont montré que leurs performances dans un frein à disques d'avion étaient semblables à celles des
disques d'origine.
D'autres exemples de composés de brasage
ont été soumis à des essais, comme décrit dans la suite.
On a utilisé les mêmes valeurs de vide et de pression de
blocage que dans l'Exemple 1 ci-dessus.
Exemple 2 % NICROBRAZ 30 Chrome 19,0 Silicium 10,2 Carbone 0,10 Nickel complément Dans cet exemple, on a effectué un chauffage pendant 30 minutes dans la plage de températures comprise entre 1190 et 1200 C ( la plage de brasage du composé étant
comprise entre 1150 et 1205'C).
Exemple 3 % NICROBRAZ 150 Chrome 15 Bore 3,5 Nickel complément Dans cet exemple, le chauffage a été effectué pendant 30 minutes dans la plage de températures comprise entre 1165 et 1185 C ( température préférée 1175 C, la plage de brasage du composé étant comprise entre 1065 et
1205 C).
Exemple 4 % NICROBRAZ 160 Chrome 11,0 Bore 2,25 Silicium 3,5 Fer 3,5 Carbone 0,5 Nickel complément Dans cet exemple le chauffage a été réalisé pendant 30 minutes dans la plage comprise entre 1150 et
1205 C ( température préférée 1190 C).
Exemple 5 % COLMONOY N 5 Chrome 11,5 Fer 4,25 Silicium 3,75 Bore 2,5 Carbone 0,65 Nickel complément Dans cet exemple le chauffage a été effectué pendant 30 minutes dans la plage comprise entre 1065 et
1220 C ( température préférée 1190'C).
Un essai de résistance au cisaillement interlaminaire des produits des Exemples 1 à 5 a donné des résistances supérieures à la résistance du matériau de base et une rupture s'est produite dans le matériau de
base (disque) au lieu de se faire dans la couche d'inter-
face. Alors que dans les exemples décrits ci-dessus, on a utilisé des composés métalliques de brasage pour former la couche d'interface nonstructurale, d'autres matériaux métalliques comme de la poudre de nickel mélangée à un liant approprié peuvent être utilisés, et il est également possible d'employer une couche d'interface non-structurale non-métallique comme de la poix, par exemple, pour lier
ensemble deux disques-composants. Le processus d'incorpora-
tion d'une couche de poix pour fixer ensemble deux disques-
composants est semblable à ce qui a été décrit ci-dessus en relation avec les figures 1 et 2 mais l'opération peut être effectuée à une température inférieure comme indiqué
dans les Exemples suivants.
Exemple 6
Un liant à base de poix a été- utilisé sous forme de poudre ( dimensions de particules inférieures à -3 710 x 103 millimètre de diamètre) pour former la couche d'interface, l'ensemble de disques étant bloqué avec une pression de blocage de 1,4 MegaNewton par mètre carré et étant chauffé lentement dans un vide inférieur à 103
millimètre de mercure avec un taux d'augmentation de tempé-
rature approximativement de 5C par minute jusqu'à une température de 6000C. La température de 600 C a été ensuite maintenue pendant 10 à 20 minutes puis elle a été augmentée jusqu'à 11OO'C et est maintenue à cette valeur pendant
minutes.
Un essai de résistance au cisaillement inter-
laminaire du produit de l'Exemple 6 a donné des résultats un peu inférieurs aux valeurs de résistance du matériau
de base.
Exemple 7
Le résidu subsistant après avoir extrait de la poix des matières solubles dans de l'heptane normal et du benzène a été utilisé comme agent de liaison pour la couche d'interface. L'agent de liaison a été utilisé: a) comme une poudre sèche, b) en combinaison avec un ciment liquide du type L B P 500 R ( fourni par "Wall Colmonoy "), c) sous forme d'une pâte produite par addition d'une petite
quantité (inférieure à5 %) de benzène.
Dans chacun des cas a), b) et c), le procédé utilisé pour la fixation a été celui décrit pour l'Exemple 6.
Un essai de résistance au cisaillement inter-
laminaire des produits des Exemples 7(a), (b) et (c) a
donné des résultats se rapprochant des niveaux de résistan-
ce du matériau de base. Une rupture s'est produite le long
de l'interface avec le matériau de base.
Sur les figures 3 et 4, le procédé conforme à l'invention a été appliqué à la réparation d'une zone endommagée d'un disque de rotor 20. Une encoche 21 est usinée dans le disque pour éliminer la zone endommagée et un bloc 22 de dimensions semblables est découpe, par exemple dans un disque usé, pour être monté dans l'encoche 21. L'encoche 21 et le bloc 22 sont rainurés comme indiqué en 23 et 24 de façon à recevoir une pâte de brasage conforme à ce qui a été décrit ci-dessus, cette pâte de brasage est déposée sur toutes les zones correspondantes de l'encoche 21 et du bloc 22, et le bloc 22 et le disque 20 sont assemblés l'un avec l'autre et chauffés sous pression dans un montage approprié et sous un-vide environnant de façon que les composants soient fixés ensemble comme précédemment décrit. La figure 4 montre l'état du disque réparé après liaison, le composant d'interface métallique formant un joint 25 dans les rainures correspondantes 23, 24 du bloc 22 et de l'encoche 21. La partie réparée du disque peut être ensuite à nouveau usinée, par exemple par usinage d'une encoche d'entraînement dans la zone
réparée.
L'invention procure de gros avantages par le fait que l'application inattendue et satisfaisante de techniques de brasage métallique pour la liaison de structures en matière composite carbone-carbone permet de réparer économiquement des disques de freins usés et par conséquent de réutiliser ce matériau intrinsèquement coûteux. Un moyen d'utilisation du procédé conforme à l'invention consiste à réaliser un disque central en matière composite carbone-carbone et à fixer sur celui-ci deux "disques d'usure " minces qui sont disposés de chaque côté et qui peuvent être remplacés par de nouveaux disques
d'usure quand ils ont été uses.
Une autre application se rapportant à la répara-
tion d'un disque existant consiste à former séparément une pièce correspondant à l'ersemble de la zone comportant le taquet ou l'encoche d'entraînement en matière composite carbone-carbone et à fixer cette pièce en position par
la technique illustrée sur les figures 3 et 4. -

Claims (13)

REVENDICATIONS
1. Disque de friction en matière composite carbone-carbone comprenant deux ou plus de deux composants structuraux à basedecarbone, caractérisé en ce que lesdits composants (10, 11i; 20, 22) sont fixés ensemble par une couche d'interface non-structurale (13, 25) qui est liée par fusion avec les deux composants structuraux à base de carbone.
2. Disque de friction en matière composite carbone-carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche non-structurale (13, 25) est formée
d'un matériau métallique.
3. Disque de friction en matière composite carbone-carbone selon la revendication 2, caractérisé en ce
que le matériau non métallique est un composé de brasage.
4. Disque de friction en matière composite carbone-carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche non-structurale (13, 25) n'est pas métallique.
5. Disque de friction en matière composite carbone-carbone selon la revendication 4, caractérisé en ce
que la couche non-structurale (13, 25) est formée de poix.
6. Disque de friction en matière composite
carbone-carbone selon une quelconque des revendications 1
à 5, caractérisé en ce que deux disques-composants <0, 11) sont joints par une couche d'interface non-structurale (13).
7. Disque de friction selon la revendication 6, caractérisé en ce que les disques-composants (10, 11) sont produits à partir de disques de friction qui ont été
uses en service.
8. Disque de friction en matière composite carbone-carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un desdits composants structuraux (20) est un disque de friction usé ou endommagé tandis que l'autre composant structural est un composant de réparation (22) réalisé
séparément et fixé dans une encoche (21) du disque.
9. Disque de friction selon la revendication 8, caractérisé en ce que le composant de réparation (22)
constitue une zone d'entraînement du disque composite.
10. Disque de friction selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que des faces corres- pondantes du composant de réparation sont rainurées en correspondance (23, 24) et un joint métallique (25) est placé dans la rainure (23, 24) ainsi formée entre lesdites faces.
11. Disque de friction selon une quelconque des
revendications 1 à 10, constituant un disque de frein pour
un frein d'avion.
12. Procédé pour fixer ensemble deux ou plus de deux composants structuraux à base de carbone d'un disque de friction, caractérisé en ce qu'il consiste à fondre une couche d'interface non-structurale (13, 25) pour fixer la couche d'interface (13, 25) avec les deux composants
structuraux à base de carbone (10, 11; 20, 22).
13. Procédé pour fixer ensemble deux ou plus de deux composants structuraux à base de carbone pour former un disque de friction, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer une couche (13) d'un composé de brasage de haut point de fusion entre les disques-composants (10, 11), à bloquer les disques-composants ensemble avec une pression de blocage de 0,2 à 0,3 MegaNewton par mètre carré et à chauffer les composants dans un four à vide de façon à
fondre le composé de brasage, puis à refroidir les disques-
composants et à enlever le disque composite résultant du four.
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