FR2585445A1 - Method for manufacturing a modular composite material, material produced and component obtained from the said material - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UN ATRIAU COMPOSITE
MODULAIRE, tATERIAU REALISE ET PIECE OBTENUE A PARTIR
DUDIT ATERIAU
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un nouveau materiau composite modulaire. Elle vise à permettre la fabrication d'un matériau de faible poids spécifique, présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et des propriétés aisément ajustables en fonction de chaque application.L'invention s'étend au matériau cornposite fabriqué par mise en oeuvre du procédé, ainsi qu'aux pièces mécaniques réalisées, utilisables dans divers secteurs techniques, et en particulier dans le secteur aérospatial ou dans celui des transports aériens ou terrestres où l'on recherche de bonnes caractéristiques mécaniques combiné es à un faible poids spécifique.PROCESS FOR PRODUCING A COMPOSITE ATRIAU
MODULAR, TATERIAU REALIZED AND PIECE OBTAINED FROM
DUDIT ATERIAU
The invention relates to a method of manufacturing a new modular composite material. It aims to enable the manufacture of a low specific weight material, having good mechanical characteristics and easily adjustable properties according to each application. The invention extends to the cornposite material manufactured by carrying out the process, as well as mechanical parts produced, usable in various technical sectors, and in particular in the aerospace sector or in that of air or land transport where we are looking for good mechanical characteristics combined with a low specific weight.
On utilise depuis longtemps dans l'aéronautique des matériaux composites allégé s dits "nid d'abeille", qui sont formés par des parois ondulées à section semi-polygonale, assemblées entre elles par soudure, collage, brasage... pour constituer un matériau tridimensionnel à section polygonale. Toutefois un tel matériau présente des limites pratiques d'utilisation provenant essentiellement de l'anisotropie de ses propriétés mécaniques (une des directions se trouvant privilégiées par rapport aux autres) et de son caractère non moulable et non formable sans destruction des propriétés mécaniques ; par exemple un tel matériau comprimé suivant la direction privilégiée précitée (direction longitudinale des cellules polygonales) est le siège d'un flambage irreversihle qui en limite les possibilités.Ce plus un tel matériau ne peut être fabriqué sans discontinuité si on veut lui donner des propriétés évolutives dans l'espace. In the aerospace industry, lightweight composite materials known as "honeycombs" have been used for a long time. These are formed by corrugated walls of semi-polygonal section, joined together by welding, gluing, brazing ... to form a material three-dimensional polygonal section. However, such a material has practical limits of use resulting essentially from the anisotropy of its mechanical properties (one of the directions being preferred over others) and its non-moldable and non-formable character without destruction of mechanical properties; for example, such a material compressed in the aforementioned preferred direction (longitudinal direction of the polygonal cells) is the seat of an irreversible buckling which limits the possibilities.This more such a material can not be manufactured without discontinuity if we want to give it properties evolving in space.
Par ailleurs le brevet FR nO 1565344 décrit un matériau destiné à remplir des structures cellulaires en vue d'améliorer l'étancbé ité de ces structures. A cet effet ce matériau est réalisé au moyen d'une poudre métallique d'aluminium recouvert de nickel, qui est portage à haute température en vue d'assurer une diffusion de l'aluminium à travers le nickel vers les interstices entre grains ; on obtient ainsi un matériau formé de grains creux, qui sont fixés dans une matrice essentiellement à base d'aluminium remplissant les interstices entre grains.Ce matériau remplit de façon satisfaisante sa fonction d'étanchéité puisque les gaz sont arrétés par la matrice interstitielle, tout en ayant des qualités de légéreté améliorées par rapport à un matériau massif de même nature.Toutefois un tel matériau présente un poids spécifique nettement supérieur à celui des matériaux composites du type nid d'abeille Cen raison de la présence de la matrice interstitielle) et il est totalement inenvisageable de l'utiliser pour fabriquer des structures aéronautiques.En fait l'utilisation de ce matériau est cantonnée au remplissage de petites structures dont il améliore l'étanchéité sans en modifier notablement les caractéristiques mécaniques mais qu'il alourdit très sensiblement ; un tel matériau est essentiellement un matériau de remplissage et ne peut être utilisé en pratique pour participer de façon significative aux propriétés mécaniques d'une structure travaillante ; il est en effet totalement impossihle dans un matériau, formé de grains de poudres de diamtres variables dispersés de façon aléatoire dans la matrice de maintien, de maitriser simultanéinent la forme des grains, leur diamètre, leur épaisseur et la répartition desdits grains dans la matrice interstitielle de sorte que les propriétés mécaniques macroscopiques du matériau corresporldent à celle de la matrice avec un coéfficient de réduction inconnu et sont incompatibles avec l'obtention, de façon fiable, de hautes performances mécaniques spécifiques. Furthermore, FR Patent No. 1565344 describes a material intended to fill cellular structures with a view to improving the stability of these structures. For this purpose this material is produced by means of a nickel-coated aluminum metal powder, which is carried at high temperature to ensure diffusion of the aluminum through the nickel to the interstices between grains; a material formed of hollow grains is thus obtained, which are fixed in a matrix essentially based on aluminum filling the interstices between grains. This material satisfactorily fulfills its sealing function since the gases are stopped by the interstitial matrix, while by having improved qualities of lightness compared to a solid material of the same nature.However such a material has a much higher specific weight than the composite materials of the honeycomb type Cen because of the presence of the interstitial matrix) and It is totally unthinkable to use it to manufacture aeronautical structures. In fact the use of this material is confined to the filling of small structures which it improves the sealing without significantly modifying the mechanical characteristics but it weighs very substantially; such a material is essentially a filler and can not be used in practice to significantly participate in the mechanical properties of a working structure; it is in fact totally impossible in a material, formed of grains of powders of variable diameters randomly dispersed in the matrix of maintenance, to simultaneously control the shape of the grains, their diameter, their thickness and the distribution of said grains in the interstitial matrix so that the macroscopic mechanical properties of the material match that of the matrix with an unknown reduction coefficient and are incompatible with reliably obtaining high specific mechanical performance.
Comme cela ressort du brevet précité, l'intérêt d'un tel matériau réside donc, non pas dans ses caractéristiques mécaniques spécifiques qui sont médiocres et sans comparaison avec le nid d'aheille mais dans ses propriétés d'étanchéité combinées à une densité moindre par rapport à celle d'un matériau massif comparable.As is apparent from the aforementioned patent, the interest of such a material lies, therefore, not in its specific mechanical characteristics which are poor and without comparison with the nest of aheille but in its sealing properties combined at a lower density by compared to that of a comparable massive material.
Par ailleurs il a été proposé dans le domaine du bâtiment un matériau cellulaire composé de cellules sphériques notamment creuses, qui sont emprisonnées dans une masse servant de liant (brevet FR nO 75.04281) ; il est indiqué dans ce brevet que les cellules sphériques peuvent être en divers matériaux (ci-ment, p 1 plâtre, t r e, verre, fer, acier9 cuivre, bnis, aggloméré, polyester..) et que le liant est une masse fluide ou pâteuse, solidifiée, qui peut etre constituée par du ciment, du plâtre, de la chaux...Pour les motifs déjà évoqué s, un tel matériau présente un poids spécifique incompatible avec une utilisation dans un secteur mécanique notamment en aéronautique (essentiellenent en raison de la présence de la masse interstitielle qui remplit les interstices entre cellules et permet de fixer ces dernières). Furthermore, in the construction field, a cellular material has been proposed, consisting of spherical cells, in particular hollow cells, which are trapped in a mass that serves as a binder (French Patent No. 75.04281); it is stated in this patent that the spherical cells can be made of various materials (ci-ment, p 1 plaster, tre, glass, iron, steel9 copper, bnis, agglomerate, polyester ..) and that the binder is a fluid mass or pasty, solidified, which can be constituted by cement, plaster, lime ... For the reasons already mentioned s, such a material has a specific weight incompatible with use in a mechanical sector including aeronautics (essentially because the presence of the interstitial mass which fills the interstices between cells and makes it possible to fix the latter).
De plus un tel matériau présente des caractéristiques de tenue en traction qui sont médiocres puisqu'elles sont au plus égale à celle du liant, avec un coéfficient de réduction notable provenant de la présence des cellules vides au coeur de ce liant.In addition, such a material has tensile strength characteristics that are mediocre since they are at most equal to that of the binder, with a significant reduction coefficient resulting from the presence of empty cells in the core of this binder.
La présente invention se propose d'indiquer un procédé de fabrication d'un nouveau matériau composite mod-ulaire. The present invention proposes to indicate a method of manufacturing a new mod-ulaire composite material.
L'objectif essentiel de l'invention est de fournir un matériau structural qui associe un poids spécifique réduit, compatible en particulier avec une utilisation dans le secteur aérospatial, à d'excellentes caractéristiques mécaniques permettant de l'utiliser comme matériau constitutif d'une structure travaillante. En particulier l'invention vise à fournir un matériau à caractéristiques mécaniques spécifiques notablement supérieures à celles du nid d'abeille. The essential objective of the invention is to provide a structural material which combines a reduced specific weight, compatible in particular with use in the aerospace sector, with excellent mechanical characteristics making it possible to use it as a material constituting a structure hardworking. In particular the invention aims to provide a material with specific mechanical characteristics significantly higher than those of the honeycomb.
Un autre objectif est de permettre de fabriquer un matériau apte à conserver de bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques à haute température. Another objective is to make it possible to manufacture a material capable of preserving good specific mechanical characteristics at high temperature.
Un autre objectif est de fournir un matériau bénéficiant d'une nise en oeuvre facilité par rapport au nid d'abeille, par ses facultées de moulaqe et de formage à la presse, qui permettent de lui conférer toute forme souhaitée. Another objective is to provide a material benefiting from easier operation compared to the honeycomb, by its ability to mold and press forming, which allow to confer any desired shape.
Un autre objectif est d'indiquer un procédé présentant une grande souplesse pour adapter les propriétés du matériau fabriqué, aux exigences des applications envisagées (propriétés mécaniques mais également électriques, thermiques, magnétiques...). Another objective is to indicate a process with great flexibility to adapt the properties of the material manufactured to the requirements of the envisaged applications (mechanical properties but also electrical, thermal, magnetic ...).
Un autre objectif est de fournir un matériau isotrope, ne présentant pas de direction privilégiée et en particulier ne présentant pas de direction de flambage ou de glissement. Another objective is to provide an isotropic material having no preferred direction and in particular having no direction of buckling or sliding.
A cet effet le procédé conforme à l'invention pour fabriquer un matériau composite modulaire consiste
(a) à utiliser des billes, comprenant chacune une peau continue située autour d' un noyau central sensiblement sphérique, lesdites billes ayant des diamètres externes voisins, supérieurs à 0,6 mm,
(b) à positionner lesdites billes au contact les unes des autres de façon à approcher une répartition géométrique du type cristallographique compact où chaque bille est en contact avec les douze voisines avec un taux de vide d'environ 26 %,
(c) à fixer lesdites billes ainsi positionnées les unes aux autres par leurs zones de contact, chaque bille étant fixée mécaniquement aux billes contiguës exclusivenent par ses zones de contact avec ces dernières et possédant entre ces zones de fixation des zones dégagées délimitant des interstices vides entre billes.For this purpose the method according to the invention for manufacturing a modular composite material consists of
(a) using beads, each comprising a continuous skin located around a substantially spherical central core, said balls having adjacent external diameters greater than 0.6 mm,
(b) positioning said balls in contact with each other so as to approach a geometric distribution of the compact crystallographic type where each ball is in contact with the twelve neighbors with a void ratio of about 26%,
(c) fixing said balls thus positioned to each other by their contact zones, each ball being mechanically attached to the contiguous balls exclusive to its contact areas with the latter and having between these zones of fixing clear zones delimiting empty interstices between balls.
Ainsi le procédé de l'invention conduit à un matériau qui se caractérise essentiellement par
uhe répartition compacte bien définie des billes qui ont individuellement des épaisseurs, diamètres et natures prédéterminées,
une fixation de chaque bille aux douze billes contigus par les douze zones de contact que donne la répartition compacte précitée,
des interstices vides entre billes, non affectés par la matière de fixation.Thus the process of the invention leads to a material which is essentially characterized by
a well-defined compact distribution of balls which individually have thicknesses, diameters and predetermined natures,
a fixing of each ball to the twelve contiguous balls by the twelve contact zones that gives the aforementioned compact distribution,
empty interstices between balls, unaffected by the fastening material.
Bien entendu ces interstices peuvent le cas échéant être remplis au moyen d'une matière de faible densité en vue de répartir les efforts de compression s'exerçant sur la périphérie de chaque bille. Mais il est important de noter que ce n'est pas cette éventuelle matière de remplissage (de faible densité) qui assure la jonction des billes et la cohésion d'ensemble du matériau : ce sont au contraire les multiples fixations des billes entre elles, qui donne sa cohésion au réseau formé, les propriétes mécaniques de celuici ne dépendant pas de façon substantielle de l'éventuel matériau de remplissage des interstices ; ce dernier peut ainsi être de densité très faible en vue de ne pas accroître de façon sensible le poids spécifique moyen du matériau, ou bien, être totalement absent, les interstices entre billes étant vides (c'est-à-dire occupés par de l'air ou le cas échéant tout~autre gaz). De plus le noyau central des billes est de préférence vide (rempli d'air) chaque bille étant formée par une peau ou coque, continue autoporteuse. De telles billes peuvent en particulier être fabriquées par mise en oeuvre du procédé décrit dans la demande de brevet française déposée simultanément par les demanderesses. Of course, these gaps may optionally be filled by means of a low density material to distribute the compressive forces exerted on the periphery of each ball. But it is important to note that it is not this possible filling material (of low density) which ensures the joining of the balls and the overall cohesion of the material: on the contrary, they are the multiple bindings of the balls between them, which gives its cohesion to the formed network, the mechanical properties of which do not depend substantially on the possible filling material of the interstices; the latter can thus be of very low density so as not to significantly increase the average density of the material, or else be totally absent, the interstices between balls being empty (that is to say occupied by air or where appropriate any other gas). In addition the central core of the balls is preferably empty (filled with air) each ball being formed by a skin or shell, continuous self-supporting. Such beads may in particular be manufactured using the method described in the French patent application filed simultaneously by the applicants.
Un tel matériau composite possede un poids spécifique très réduit puisque son seul élément massique réside dans les coques des billes, le noyau interne de cellesci et les interstices externes ayant des densités très faibles, éventuellement négligeables (air). En outre la résistance m8caniolue et la frigidité de c e matériâcd sont remarquables en raison
des effets de voûtes convexes sur lesquelles s e répartissent les efforts,
des fixations entre billes,dont la répartition géométrique engendre une équirépartition des efforts et permet aux coq\les de travailler dans de bonnes conditions pour reprendre tous les efforts transmis (y compris les efforts de traction et de cisaillement).Such a composite material has a very low specific weight since its only mass element resides in the hulls of the balls, the inner core of these and the external interstices having very low densities, possibly negligible (air). In addition, the mechanical resistance and frigidity of this material are remarkable because of
effects of convex vaults on which the efforts are distributed,
fasteners between balls, the geometric distribution of which results in an equidistribution of forces and allows the crews to work in good conditions to take all the transmitted forces (including tensile and shear forces).
Les expérimentations ont démontré que les caractéristiques mécaniques spécifiques d'un tel matériau sont supérieures à celles du nid d'abeille (pour des matières constitutives identiques) ; de même des essais comparatifs effectués à poids spécifique égal (billes à peau en nickel, nid d'abeille en alliage d'aluminium) ont permis d'observer des caractéristiques en compression et en cisaillement notablement meilleures dans le cas du matériau de l'invention que dans celui du nid d'aheille type aéronautique. Experiments have shown that the specific mechanical characteristics of such a material are superior to those of the honeycomb (for identical constituent materials); likewise comparative tests carried out at equal specific weight (nickel-skinned balls, honeycomb aluminum alloy) have observed significantly better compression and shear characteristics in the case of the material of the invention than in that of the aeronautical type nest.
De plus le matériau de l'invention présente une géométrie sphérique qui lui confére une isotropie macroscopique sans direction privilégiée ; en particulier les essais ont montré qu'une compression à charge croissante engendre une déformation plastique progressive du matériau sans flambage. In addition, the material of the invention has a spherical geometry which confers to it a macroscopic isotropy without privileged direction; in particular the tests have shown that a compression with increasing load generates a progressive plastic deformation of the material without buckling.
De préférence on utilise des billes de diamètre externe compris entre 1 mm et 20 mm, possédant une peau d'épaisseur comprise entre 50 microns et 500 microns. Ces plages de valeur permettent en pratique de parfaitement maitriser la forme et les caractéristiques de chaque bille ainsi que leur arrangement selon la répartition compacte susévoquée, tout en autorisant une fixation très résistante dans les zones de contact sans affecter les sites interstitiels. Preferably, beads having an external diameter of between 1 mm and 20 mm and having a skin thickness of between 50 microns and 500 microns are used. These ranges of value make it possible in practice to perfectly control the shape and characteristics of each ball and their arrangement according to the compact distribution mentioned above, while allowing a very strong fixation in the contact areas without affecting the interstitial sites.
Ces billes peuvent être fabriquées par tout procédé et en particulier dans le cas de billes creuses vides, par le procédé décrit dans la demande de brevet déjà évoquée, déposée simultanément avec la présente demande. These beads can be manufactured by any method and in particular in the case of empty hollow beads, by the method described in the patent application already mentioned, filed simultaneously with the present application.
Le pT oc é dé de l'invention donne toute souplesse pour ohtenir les propriétés recherchées dans chaque application en adaptant la nature des billes, leur diamètre et leur épaisseur de peau. The device of the invention gives all flexibility to achieve the desired properties in each application by adapting the nature of the beads, their diameter and their skin thickness.
On peut en particulier utiliser des billes dont la peau comprend au moins une couche en métal ou alliage métallique à hautes caractéristiques mécaniques, cristallisés ou amorphes, notamment nickel et ses alliages ou oxydes, fer et ses alliages ou oxydes, titane et ses alliages ou oxydes, alliages légers tels qu'alliages d'aluminium (Au 4G..).Ces billes conduisent à des matériaux composites qui constituent un compromis remarquable poids spécifique/performances mécaniques. It is possible in particular to use beads whose skin comprises at least one layer of metal or metal alloy with high mechanical, crystalline or amorphous characteristics, in particular nickel and its alloys or oxides, iron and its alloys or oxides, titanium and its alloys or oxides light alloys such as aluminum alloys (Au 4G ..) These beads lead to composite materials that constitute a remarkable compromise specific weight / mechanical performance.
I1 est également possible d'utiliser des billes dont la peau comprend au moins une couche en matière réfractaire, en particulier : acier réfractaire, cobalt et ses alliages ou oxydes, molybdène et ses alliages ou oxydes, chrome et ses alliages ou oxydes, tungstène et ses alliages ou oxydes, céramique... Le matériau composite obtenu conserve ses propriétés mécaniques spécifiques à très haute température. It is also possible to use beads whose skin comprises at least one layer of refractory material, in particular: refractory steel, cobalt and its alloys or oxides, molybdenum and its alloys or oxides, chromium and its alloys or oxides, tungsten and its alloys or oxides, ceramic ... The composite material obtained retains its specific mechanical properties at very high temperature.
Le procédé permet le cas échéant d'adapter le- matériau composite pour lui conférer d'autres propriétés spécifiques : propriété d'isolation sur le plan électrique en utilisant des billes en matière isolante (verre, céramique, matière synthétique polymérique...), propriétés d'isolation sur le plan thermique (utilisation de billes isolantes : céramique), propriétés magnétiques (utilisation de billes en matière ferromagnétique ou ferrimagnétique : oxyde de fer), propriété d'amortissement élastique en utilisant des billes dont la peau comprend au moins une couche en matière élastique (élastomère)... The method makes it possible, if necessary, to adapt the composite material to give it other specific properties: electrical insulation property by using balls made of insulating material (glass, ceramic, polymeric synthetic material, etc.), thermal insulation properties (use of insulating balls: ceramic), magnetic properties (use of ferromagnetic or ferrimagnetic material: iron oxide), elastic damping property using beads whose skin comprises at least one layer of elastic material (elastomer) ...
De plus les billes peuvent être dotées d'une couche externe en une matière résistante à la corrosion (amorphes métalliques, chrone...). In addition, the balls can be provided with an outer layer of a material resistant to corrosion (metal amorphous, chrone ...).
Par ailleurs selon un mode de mise en oeuvre p ré fé ré, les billes sont fixées les unes aux a autres par brasage, en appliquant autour de leur peau une fine pellicule d'un produit de brasage et en chauffant l'ensemble après positionnement des billes à une température de brasage appropriée. Moreover, according to a preferred embodiment, the balls are attached to each other by soldering, by applying a thin film of a solder product around their skin and heating the assembly after positioning the beads. balls at a suitable soldering temperature.
Le produit de brasage peut être déposé soit sous forme d'une poudre appliquée avant le positionnenent des billes soit sous forme d'une couche mince déposée par tout procédé physique ou chimique lors de la fabrication des billes. Lors de sa fusion, le produit de brasage se concentre par capillarité autour des zones de contact et forme un ménisque assurant la fixation mécanique des billes entre elles. The brazing product may be deposited either in the form of a powder applied before the positioning of the beads or in the form of a thin layer deposited by any physical or chemical method during the manufacture of the beads. During its fusion, the brazing product concentrates by capillarity around the contact zones and forms a meniscus ensuring the mechanical fixing of the balls together.
Les billes peuvent également entre fixées par tout autre moyen et en particulier par collage, en enduisant leur peau d'une fine pellicule de colle polymérisable et en laissant la colle polymériser après positionnenent des billes. The beads can also be fixed by any other means and in particular by gluing, by coating their skin with a thin film of polymerizable glue and allowing the glue to polymerize after positioning the beads.
Le matériau conforme à l'invention présente l'avantage considérable d'être moulable et formable à la presse ; il peut être moulé pour fabriquer des pieces de formes diverses prédéterminées, soit des pièces limitées sur leur périphérie par une enveloppe, soit des pièces nues. The material according to the invention has the considerable advantage of being moldable and press-formable; it can be molded to manufacture pieces of various predetermined shapes, that is to say parts limited on their periphery by an envelope, or bare parts.
Dans le cas d'une pièce nue, le procédé est mis en oeuvre dans un moule de forme correspondant à celle de la pièce, la fixation des billes entre elles étant réalisée dans des conditions propres à éviter une adhérence des billes sur le moule afin de permettre de démouler la pièce après fixation des billes entre elles. Par exemple, en cas de brasage des billes, il est possible d'enduire le moule d'un inhibiteur de brasage (ou de prévoir un moule en un matériau non brasable). In the case of a bare part, the process is carried out in a mold of shape corresponding to that of the part, the fixing of the balls together being carried out under conditions suitable for preventing adhesion of the balls to the mold in order to allow to unmold the piece after fixing the balls together. For example, in the case of brazing of the balls, it is possible to coat the mold with a solder inhibitor (or to provide a mold made of a non-brazeable material).
Dans le cas d'une pièce dotée d'une enveloppe sur se périphérie, le procédé de l'invention est mis en oeuvre dans un moule constitué par cette enveloppe et les billes périphériques sont fixées à ladite enveloppe par leurs zones de contact avec celle-ci. La fixation des billes sur l'enveloppe peut en particulier être réalisée en même temps que la fixation des billes entre elles (brasage, collage etc...). On obtint ainsi une pièce dont l'état du surface est continue au niveau de l'enveloppe, état de surface qui peut être adapté à chaque application. In the case of a part provided with an envelope on the periphery, the method of the invention is implemented in a mold constituted by this envelope and the peripheral beads are fixed to said envelope by their contact zones with that envelope. this. The fixing of the balls on the envelope can in particular be carried out at the same time as the fixing of the balls together (soldering, gluing, etc.). This gives a piece whose surface state is continuous at the envelope, surface condition that can be adapted to each application.
De p 1 u-s le caractère n ou 1 ah le du matériau composite conforme à l'invention permet d'intégrer à l'intérieur de celui-ci des inserts avec une bonne transmission des efforts entre insert et matériau. From p 1 u-s the character n or 1 ah the composite material according to the invention allows to integrate inside thereof inserts with good transmission of the forces between insert and material.
Par ailleurs, selon un premier mode de mise en oeuvre, le positionnement des billes les unes par rapport aux autres est réalisé en les disposant dans un moule et en soumettant ledit moule à un mouvement vibratoire d'amplitude faible par rapport au diamètre des billes. Les billes viennent ainsi se répartir naturellement selon un empilement compact dans lequel chaque bille située au coeur se trouve en contact avec douze autres. Cet arrangement est obtenu dans chaque volume où les billes sont de ne me diamètre et conditionne les propriétés mécaniques du matériau obtenu après fixation des billes par leurs zones de contact. Furthermore, according to a first embodiment, the positioning of the balls relative to each other is achieved by placing them in a mold and subjecting said mold to a vibratory movement of small amplitude relative to the diameter of the balls. The beads are thus distributed naturally in a compact stack in which each ball located in the heart is in contact with twelve others. This arrangement is obtained in each volume where the balls are of diameter me and conditions the mechanical properties of the material obtained after fixing the balls by their contact areas.
I1 est également possible de positionner les billes individuellement dans le moule en couches successives de façon à obtenir la répartition géométrique précitée. Ce positionnement individuel permet le cas échéant de modifier les caractéristiques des billes selon leur position, tout en leur conservant des diamètres identiques ; cette distribution où les billes sont différentes selon les zones considérées (épaisseur de peau, nature) permet de réaliser un matériau à propriétés différenciées d'une zone à une autre, en vue de répondre à des contraintes non uniformes (contraintes mécaniques, thermiques, électriques...). It is also possible to position the balls individually in the mold in successive layers so as to obtain the aforementioned geometric distribution. This individual positioning makes it possible, if necessary, to modify the characteristics of the balls according to their position, while keeping them of identical diameters; this distribution, where the balls are different according to the zones considered (skin thickness, nature), makes it possible to produce a material with differentiated properties from one zone to another, in order to respond to non-uniform stresses (mechanical, thermal, electrical stresses). ...).
L'invention s'étend, en tant que produit nouveau, au matériau composite modulaire fabriqué par mise en oeuvre du procédé défini précédemment, ainsi qu'aux pièces moulées obtenues avec ce matériau. Ledit matériau se caractérise essentiellement par la présence d'une pluralité de billes de diamètres externes supérieurs à 0,6 n m, par des diamètres de billes voisins dans des volumes élémentaires du matériau, par une répartition géométrique des billes proche de la répartition de type cristallographique compact, et par des fixations des billes contiyubs les unes aux autres exclusivement par leurs zones de contact. The invention extends, as a new product, to the modular composite material manufactured by implementing the method defined above, as well as to the molded parts obtained with this material. Said material is essentially characterized by the presence of a plurality of balls with external diameters greater than 0.6 nm, by diameters of neighboring balls in elementary volumes of the material, by a geometric distribution of the balls close to the crystallographic type distribution. compact, and by fasteners contiyubs balls to each other exclusively by their contact areas.
L'invention est illustrée par la description qui suit en référence au dessin annexé ; sur ce dessin
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce obtenue par mise en oeuvre du procédé de l'invention,
- la figure 2 représente schénatiquement des billes creuses qui ont servi à la fabrication de ladite pièce,
- la figure 3 illustre la première étape du procédé décrit en exemple,
- la figure 4 illustre l'opération de positionnement des billes,
- la figure 5 est une coupe de la pièce obtenue, par un plan A,
- la figure 6 est un schéma de détail montrant une fixation entre billes,
- la figure 7 est une vue en coupe d'une éprouvette formée par le matériau conforme à l'invention, qui a été soumise à des tests comparatifs.The invention is illustrated by the following description with reference to the accompanying drawing; on this drawing
FIG. 1 is a schematic perspective view of a part obtained by implementing the method of the invention,
FIG. 2 schematically represents hollow balls used in the manufacture of said part,
FIG. 3 illustrates the first step of the method described by way of example,
FIG. 4 illustrates the operation of positioning the balls,
FIG. 5 is a sectional view of the part obtained by a plane A,
FIG. 6 is a detailed diagram showing an attachment between balls,
- Figure 7 is a sectional view of a test piece formed by the material according to the invention, which has been subjected to comparative tests.
La pièce à exécuter représentée en 1 à la figure 1 présente la forme d'un tronçon d'aile comportant une enveloppe périphérique 10. Son taux de remplissage optimum a été défini préalablement par calcul et a permis de délimiter quatre volumes élémentaires z1, Z2, Z3, Z4 auxquelles correspondent des diamètres de billes différents. The part to be executed represented at 1 in FIG. 1 has the shape of a wing section comprising a peripheral envelope 10. Its optimum filling rate has been defined beforehand by calculation and has made it possible to delimit four elementary volumes z1, Z2, Z3, Z4 to which correspond different diameters of balls.
La figure 2 représente lesdites billes creuses 2, 3, 4 dont les natures et épaisseurs de peau sont identiques (épaisseur : 120 microns, nature : nickel). Les diamètres des billes sont de 2,5 mn, 4 mm et 6 mm. Ces billes ont été fabriquées par le procédé décrit dans la demande de brevet déjà évoquée, déposée simultané ment à la présente. FIG. 2 represents said hollow balls 2, 3, 4 whose natures and thicknesses of skin are identical (thickness: 120 microns, nature: nickel). The diameters of the balls are 2.5 minutes, 4 mm and 6 mm. These beads were manufactured by the method described in the patent application already mentioned, filed simultaneously with the present.
Elles sont dans une première étape enduites d'une poudre à brasage symbolisée en 5 à la figure 2 ; la brasure utilisée est une brasure base nickel disponible dans le conmerce sous le nom "LM" fabriquée par "WAL-C0LllONOY" et est liée par un cément ("Nicrobraz 300R").They are in a first step coated with a solder powder symbolized at 5 in FIG. 2; the solder used is a nickel base solder available commercially as "LM" manufactured by "WAL-COOLONOY" and bonded by cement ("Nicrobraz 300R").
Le dépôt de brasure 5 sur les billes s'effectue dans un malaxeur 6 (figure 3) dans lequel on introduit successivement par des conduits 7, 8, 9 la brasure en poudre, le cément puis les billes. The deposition of solder 5 on the balls is carried out in a kneader 6 (FIG. 3) in which the solder, the cement then the balls are successively introduced via conduits 7, 8, 9.
La quantité de poudre à braser introduite est de 3,9 g/dm2 de surface de bille. Le cément liquide est introduit à raison de 0,2 ml par gramme de poudre. The amount of solder powder introduced is 3.9 g / dm 2 of ball area. The liquid cement is introduced at a rate of 0.2 ml per gram of powder.
Le malaxage s'effectue jusqu'à obtenir un recouvrement uniforme de la surface des billes. The mixing is carried out until a uniform recovery of the surface of the balls.
La figure 4 représente la pièce 1 en tours d'exécution. Dans cet exemple l'enveloppe ln de la pièce est utilisée comne moule. Celle-ci est placée sur un socle de graphite 1 1 sur lequel on a préalablement déposé une couche d'anti mouillant, une face ouverte de la pièce étant au contact du socle de graphite, cependant que l'autre sert d'orifice de remplissage. Le moule formé par l'enveloppe est enduit sur sa face interne de poudre de brasage et cloisonné par trois clinquants de brasure 12 délimitant les volumes élémentaires. Figure 4 shows the part 1 in execution. In this example the envelope ln of the room is used as mold. This is placed on a graphite base 1 1 on which has previously deposited a layer of anti-wetting, one open face of the workpiece being in contact with the graphite base, while the other serves as a filling port . The mold formed by the envelope is coated on its inner surface with solder powder and partitioned by three brazing foils 12 delimiting the elementary volumes.
L'ensemble est posé sur une table vibrante 13, dont l'amplitude de vibration est de l'ordre d'une dizaine de microns.The assembly is placed on a vibrating table 13, the amplitude of vibration is of the order of ten microns.
Les billes enduites de brasure sont introduites par l'orifice supérieur dans les compartiments respectifs définis précédemment. Les billes de 6 mm de diamètre sont disposées dans le compartiment correspondant au volume Z2, les billes de 4 mn de diamètre dans le volume Z3, et les billes de 2,5 mm dans les volumes Z1 et Z4. Ces billes se positionnent sous l'effet de leur poids et des vibrations elles viennent naturellement constituer entre elles un empilement compact. Cet empilement compact est obtenu de façon quasi optimale au bout de 5 mn et est schématisé à la figure 5 ; cet empilement se retrouve dans tous les volumes élémentaires et est de type cristallographique compact où chaque bille située au coeur du matériau est en contact avec douze autres, le coéfficient de vide étant d'environ 26 S. The solder-coated balls are introduced through the upper orifice into the respective compartments defined above. The balls 6 mm in diameter are arranged in the compartment corresponding to the volume Z2, the balls of 4 minutes in diameter in the volume Z3, and the balls of 2.5 mm in the volumes Z1 and Z4. These balls are positioned under the effect of their weight and vibrations they come naturally constitute between them a compact stack. This compact stack is obtained almost optimally after 5 minutes and is shown schematically in Figure 5; this stack is found in all elementary volumes and is compact crystallographic type where each ball located in the core of the material is in contact with twelve others, the vacuum coefficient being about 26 S.
La pièce est ensuite disposée dans un four sous vide. Les conditions de brasage sont les suivantes
- pression : 3 10-4 millibar
- température : 9200 (20 mn), 10700 (15 mn)
- vitesse de montée en température : 0,050 C/minute
- durée du palier de brasage : 15 minutes
- refroidissement : pression de gaz 0,3 bar (azote)
Après refroidissement complet du four la pince en est extraite et dégagée de la plaque graphite.The piece is then placed in a vacuum oven. Brazing conditions are as follows
pressure: 3 10-4 millibar
- temperature: 9200 (20 minutes), 10700 (15 minutes)
- rate of rise in temperature: 0.050 C / minute
- duration of the brazing stage: 15 minutes
- cooling: gas pressure 0.3 bar (nitrogen)
After complete cooling of the oven the clamp is extracted and released from the graphite plate.
La figure 6 montre un détail de brasage des billes entre elles. I1 apparait un ménisque de~brasure 14 autour de chaque zone de contact ; ces ménisques fixent mécaniquement les billes entre elles et laissent libres les interstices entre billes. Figure 6 shows a soldering detail of the balls together. There appears a meniscus of ~ solder 14 around each contact zone; these meniscuses fix mechanically the balls between them and leave free the interstices between balls.
Cet exemple illustre la fabrication par moulage d'une pièce mécanique de forme. La propriété de modularité du matériau est exploitée en mettant en oeuvre des billes de diamètres différents dans des volumes prédéterminés par le calcul. Les assemblages compacts obtenus dans chacun de ces volumes permettent d'approcher une isotropie macroscopique des répartitions des contraintes. This example illustrates the manufacture by molding of a mechanical part of form. The property of modularity of the material is exploited by implementing balls of different diameters in volumes predetermined by the calculation. The compact assemblies obtained in each of these volumes make it possible to approach a macroscopic isotropy of the distribution of the stresses.
Il est à noter que, dans chaque volume élémentaire, les billes ont un diamètre constant qui conditionne la répartition géométrique compacte sus-évoquée. It should be noted that, in each elementary volume, the balls have a constant diameter which conditions the compact geometric distribution mentioned above.
Toutefois il est possible de modifier dans chaque volume la nature et l'épaisseur de la peau (en conservant le diamètre externe) pour conférer à la pièce des propriétés évolutives dans des zones différentes du volume, par exemple évolution progressive ou non d'une face ouverte à l'autre. De même il est possible au moment du positionnement des billes de loger un insert au coeur du matériau comme cela est souvent nécessaire en aéronautique.However, it is possible to modify in each volume the nature and the thickness of the skin (keeping the external diameter) to give the piece evolutionary properties in different areas of the volume, for example progressive or non-progressive evolution of a face open to the other. Similarly, it is possible when positioning the balls to house an insert in the heart of the material as is often necessary in aeronautics.
Pour caractériser le matériau composite du point de vue mécanique, on a réalisé une éprouvette parallélépipédique 15 délimitée par une enveloppe formée de deux tôles parallèles 16 et 17 (figure 7). To characterize the composite material from the mechanical point of view, a parallelepipedal specimen 15 delimited by an envelope formed of two parallel sheets 16 and 17 (FIG. 7) was produced.
Cette éprouvette est constituée d'un empilage compact de sphères creuses de nickel de diamètre de 6 mm et d'épaisseur de 120 microns. La fabrication de l'éprouvette a été réalisée en remplissant un moule dont deux parois verticales opposées sont recouvertes par les tôles 16 et 17 (en acier inoxydahle "Z6 CN 18.10" et d'épaisseur 0,4 mm) ; ces tôles sont enduites de poudre à braser ; la distance entre tôles est de 15,2 mm. tes deux autres faces et le fond du moule sont enduits d'une couche d'antimouillant. This specimen consists of a compact stack of hollow spheres of nickel 6 mm in diameter and 120 microns thick. The manufacture of the test piece was carried out by filling a mold whose two opposite vertical walls are covered by sheets 16 and 17 (made of stainless steel "Z6 CN 18.10" and of thickness 0.4 mm); these sheets are coated with solder powder; the distance between sheets is 15.2 mm. your other two faces and the bottom of the mold are coated with an anti-wrinkling layer.
Avant introduction des billes dans le moule, celles-ci sont enduites de poudre à braser dans les conditions déjà décrites. Before introduction of the balls into the mold, they are coated with solder powder under the conditions already described.
Au monent du remplissage, le moule est soumis à un mouvement vibratoire afin d'assurer le positionnement des billes suivant une répartition compacte. In the monent filling, the mold is subjected to a vibratory movement to ensure the positioning of the balls in a compact distribution.
Le moule est ensuite disposé dans le four et le brasage est effectué dans les conditions déjà décrites. The mold is then placed in the oven and the brazing is carried out under the conditions already described.
Le tableau ci-après donne les contraintes mécaniques spécifiques obtenues, comparées à celles du Nid d'Abeille en alliage léger de qualité aéronautique de même poids spécifique.
The table below gives the specific mechanical stresses obtained, compared to those of the honeycomb made of light alloy of aeronautical quality of the same specific weight.
<tb> <SEP> Contrainte
<tb> Matériau <SEP> : <SEP> Densité <SEP> :---------------------------- <SEP>
<tb> <SEP> Compression <SEP> : <SEP> Cisaillement
<tb> <SEP> limite <SEP> d'écra- <SEP> limite <SEP> de <SEP> déforma- <SEP>
<tb> <SEP> sement <SEP> (bars) <SEP> tison <SEP> permanente
<tb> <SEP> (bars) <SEP>
<tb> Nid <SEP> AG3 <SEP> = <SEP> 15
<tb> d'Abeille <SEP> : <SEP> 14,5 <SEP> :<SEP> AC5 <SEP> = <SEP> 21
<tb> <SEP> AU4G <SEP> = <SEP> 22,5 <SEP>
<tb> composite <SEP>
<tb> invention <SEP> 0,5 <SEP> 23,5
<tb> Nid
<tb> <SEP> (AG3 <SEP> = <SEP> 26
<tb> d'Abeille <SEP> 0,7 <SEP> :Direction <SEP> L <SEP> (AG5 <SEP> = <SEP> 32,5
<tb> <SEP> (AU4G <SEP> = <SEP> 30
<tb> <SEP> (AG3 <SEP> = <SEP> 16
<tb> <SEP> Direction <SEP> W <SEP> (AG5 <SEP> = <SEP> 18,5
<tb> <SEP> (AU4G <SEP> = <SEP> 17,5
<tb> Composite
<tb> invention <SEP> 0,7 <SEP> 42
<tb> <tb><SEP> Constraint
<tb> Material <SEP>: <SEP> Density <SEP>: ---------------------------- <SEP>
<tb><SEP> Compression <SEP>: <SEP> Shear
<tb><SEP><SEP> limit of <SEP> limit <SEP> limit of <SEP> deforma- <SEP>
<tb><SEP> ss <SEP> (bars) <SEP> permanent <SEP> tison
<tb><SEP> (bars) <SEP>
<tb> Nest <SEP> AG3 <SEP> = <SEP> 15
<tb> Bee <SEP>: <SEP> 14.5 <SEP>: <SEP> AC5 <SEP> = <SEP> 21
<tb><SEP> AU4G <SEP> = <SEP> 22.5 <SEP>
<tb> composite <SEP>
<tb> invention <SEP> 0.5 <SEP> 23.5
<tb> Nest
<tb><SEP> (AG3 <SEP> = <SEP> 26
<tb> Bee <SEP> 0.7 <SEP>: Direction <SEP> L <SEP> (AG5 <SEP> = <SEP> 32.5
<tb><SEP> (AU4G <SEP> = <SEP> 30
<tb><SEP> (AG3 <SEP> = <SEP> 16
<tb><SEP> Direction <SEP> W <SEP> (AG5 <SEP> = <SEP> 18.5
<tb><SEP> (AU4G <SEP> = <SEP> 17.5
<tb> Composite
<tb> invention <SEP> 0.7 <SEP> 42
<Tb>
Les plages de valeurs données dans le cas du
Nid d'Abeille correspondent aux trois nuances d'alliages légers les plus utilisés "AU4G", "AG5", "AG3".The ranges of values given in the case of
Honeycomb correspond to the three shades of light alloys most used "AU4G", "AG5", "AG3".
Autant en compression qu'en cisaillement, les caractéristiques spécifiques obtenues sont supérieures ou au moins égales à celle du nid d'abeille. As much in compression as in shear, the specific characteristics obtained are superior or at least equal to that of the honeycomb.
Ces essais montrent l'intérêt d'un tel matériau modulaire, isotrope et moulable dont les propriétés mécaniques spécifiques sont bien adaptées à une utilisation dans l'aéronautique comme matériau de structure. These tests show the interest of such a modular material, isotropic and moldable whose specific mechanical properties are well suited for use in aeronautics as a structural material.
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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