FR2663955A1 - Article conique renforce par filament et procede de formation. - Google Patents
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Abstract
Il s'agit d'un procédé pour former un renforcement par filament sur une surface irrégulière. Le procédé comprend le dépôt par pulvérisation d'une couche de matrice métallique (14) sur un mandrin (10) d'une configuration irrégulière et la formation ensuite d'une rainure en spirale dans la surface de la matrice métallique déposée. Un filament de renforcement (20) est ensuite introduit dans la rainure sur la surface usinée et maintenu en place par un moyen classique. Le support du mandrin, la couche de métal en matrice usinée et la couche de filament de renforcement (20) sont introduits dans une chambre de dépôt de plasma H.F. et une couche supplémentaire d'une matrice métallique est déposée sur la première couche (14) et sur le filament enroulé en spirale (20) sur la surface de celui-ci afin d'incorporer le filament dans la matrice métallique déposée (20). Après l'achèvement des diverses opérations de dépôt de la matrice métallique et d'usinage de la rainure (16) dans la surface et de l'introduction d'un filament enroulé en spirale (20) dans la rainure (16), l'article ainsi formé est consolidé par un moyen classique.
Description
La présente invention se rapporte étroitement à La demande en attente N O
de série 07/546,969 du 2 07 90 Le texte
de la demande en attente est incorporé ici à titre de référence.
La présente invention se rapporte généralement M la formation d'articles métalliques renforcés par filament de résistance très élevée et d'une grande longévité Plus précisément elle se rapporte à la formation d'articles métalliques renforcés par filament de forme conique ainsi
qu'à leur procédé de formation.
On sait que des articles renforcés par filament peuvent Étre formes par des techniques de dép St par pulvérisation de plasma Un certain nombre de brevets ont ét 4 délivrés au cessionnaire de la présente demande concernant de telle structures renforcées pnar filament La préparation de films, de feuille et d'articles similaires à base d'alliage de titane ainsi nue de structures renforc-es dans lesquelles des fibres de carbure de silicium sont incorpor 4 es dans un alliage à base de titane sont décrits 2 ú) cdans les brevets des Etats-Unis N 4 775 547, 4 782 884, 4 786 566, 4 805 294, 4 805 833 et 4 83 S 337; rêéds au m-ime cessionnaire que la demande présente Les textes de ces
brevets sont incorporés ici par référence.
La préparation des composés comme décrit dans ces _ 2 r 5 brevets est 1 'obijet d'intenses études du fait nue les comp Dosés ont des propriétés de résistance très élev 4 e en rapport avec leur poids Une des caractéristiques qui est particulièrement souhaitable est la caractéristique d'élasticité est communiquée aux structures par la caractéristique d'liasticite élevée des fibres ou filaments de carbure de silicium Les caractéristiques d'élasticité
des structures se rapportent à la règle des mélanges.
Conformémenrit à cette règle, le rapport de la caractéristique, tel que la caractéristique d'ilasticit, ; 3 qui est attribuée au filament, comme opposé à la matrice, est déterminé par le pourcentage en volume du filament présent dans la structure et par la résistance à la traction du filament lui-m-me De manière similaireq le rapport de la mlme caractéristique d'élasticité qui est attribuée à la matrice est déterminé par le pourcentage en volume de la matrice présente dans la structure et du
rapport de la résistance à la traction de la matrice elle-
mme. Avant l'élaboration des proc 4 dés décrits dans les 2 O brevets menritlonniés ci-dessus, de telles structures ont été préparées en interposant les filaments de renforcement entre des feuilles d'alliage à base de titane et en pressant les piles des couches alternées d'alliage et de filaments de renforcement jusqu'à ce quune structure composée ait été formée Toutefois, il a été trouvé que la mise en pratique de la technique antérieure a été peu satisfaisante lorsque des essais ont été faits pour former oes articles de formes différentes telles que des structures annulaires dans lesquelles le filament était un renforcement interne de l Vanneau entier ou d'une autre structure. Les structures enseinnées dans les brevets mentionnés ci-dessus et leur procédé de formation ont grandement amélioré, par rapport aux pratiques précédentes, la formation des sandwichs de matrice et de filament de
renforcement par compression.
Dernièrement on a trouvé que, bien que les structures
preparies comme décrit dans les brevets mentionnés ci-
dessus présentent des caractéristiques qui sont une grande i O amélioration par rapport aux structures précédentes, l'obtention d'une résistance finale à la traction potentiellement très élevée de ces structures n'était nas à la mesure des valeurs théoriquement possibles L'essai des composés formés conformément aux procédés enseignés dans les brevets précédents ont démontré que bien que les valeurs du module sont généralement en bon accord avec la règle des prévisions des mélanges, la résistance finale à la traction est habituellement beaucoup plus faible que prévu par les caractéristiques sur lesquelles reposenti les constituants individuels du composé Un certain nombre de demandes ont été déposées qui sont orientées vers le fait de surmonter le problème des caractéristiques d'élasticité plus basses que prévu et un certain nombre de ces demandes sont en attente Ces demandes comportent le numéro de série : S, 445 203 déposé le 4 décembre 1989, le numéro de série 459 894 déposé le 2 janvier 1990 et les numéros de série 455 041 et 455 048 tous les deux déposés le 22 décembre 1989 = Les textes de ces demandes sont incorpor 4 S ici par réfêrence. _ 5 Une des structures qui a été jugée particulièrement souhaitable utilisant la technologie de ces brevets cités en référence est un article annulaire comportant une matrice métallique et ayant un renfort de filament de carbure de silicium s'enroulant plusieurs fois autour de la couronne entière Des anneaux et des tubes d'un diamètre de quelques pouces à quelques pieds sont prépares avec de tels filaments de renforcement De telles structures d'anneaux et de tubes ont des caractéristiques d'élasticité très élevées par rapport à leur poids, particulièrement lorsque -compares à des structures constituées entièrement de métal L'anneau renforcé par fibre peut etre utilisé par exemple comme structure annulaire de renforcement pour des disques de compresseur d'un moteur à réaction Dans le but de renforcer le disque dans un étage compresseur d'un moteur à réaction, un grand nombre de couches de renfort sont nécessaires On a trouvé qu'il est très difficile de continuer à ajouter de plus en plus de couches de renfort par filament à une structure annulaire du fait des différences des coefficients de dilatation thermique et
d'autres f acteurs.
Un des problèmes qui découle de l'ajout continu de couches extérieures de matrice renforcée par filament à une structure annulaire consiste en ce que les anneaux extérieurs tendent à entraîner une compression et une déformation des filaments extérieurs du fait de la consolidation classique qui se produit pendant la thermocompression isostatique Une telle déformation des filaments peut provoquer l'endommagement des filaments et par suite des anneaux dont les filaments constituent une partie Une telle déformation tend à se produire lorsque le nombre de couches de fibres augmente de sorte que lorsque le nombre atteint 20 ou 30 couches successives, toute couche supplémentaire qui est ajoutée au- delà de ces valeurs peut entraîner la déformation et l'endommagement des filaments, de même que la structure globale qui est consolidée par l'intermédiaire de l'opération de
thermocompression isostatique.
Une solution à ce problème consiste à former une suite d'anneaux concentriques qui sont ensuite assemblés ensemble afin de créer une structure annulaire renforcée ayant plus de 100 couches de renforcement De telles structures annulaires doivent être d'un diamètre assez large de l'ordre de 30 cm ou de plusieurs fois 30 cm et doivent néanmoins s'emboîter les unes dans les autres avec des tolérances très faibles de seulement quelques quart de
dixième de millimètre.
La technique antérieure se rapportant essentiellement à la formation d'articles sur des mandrins concerne la formation d'articles de forme généralement tubulaire La technique du brevet et la technique apparentée concernant de telles structures enseignent des procédés très efficaces et utiles pour la formation d'articles tubulaires ayant des
sections transversales généralement uniformes.
Pour certains besoins, il est jugé désirable d'avoir des structures renforcées tubulaires qui ne présentent pas une section transversale uniforme Par exemple une telle = sstructure est une structure renforcée sous la forme d'un cone Un tel cane comporte une section axiale qui n'est pas uniforme et qui en fait est sous la forme d'un tube effil = C'est 3 par suite uin but de la présente invention de créer un procédé qui permet que des articrles métalliques renforcés par filament généralement tubulaires soient
formés avec des sections transversales non uniformes.
Un autre but est de créier un procédé pour former Liun article métallique renforce par filament sous la forme générale d'un cane. L 5 t Un autre but est de créer un article métallique
renforcé par filament formé de manière conique.
D'autres buts seront en partie apparents et en partie
énoncés dans la description qui suit.
Dans un de ses aspects le plus large, des objets de la présente invention peuvent ftre réalisés en créant un mandrin conique ayant des dimensions externes essentiellement conformes aux dimensions internes désirées die l'article conique qui doit ftre form S Le mandrin conique est introduit dans une chambre de dép G St de plasma à basse pression et un rev-tement d'un métal en matrice est formé par dêp St de plasma sur sa surface Le mandrin conique revftu est refroidi et retiré de la chambre et usiné pour présenter une surface polie et également pour avoir une rainure hélicoïdale sur sa surface appropriée pour recevoir et maintenir en place un élément filamenteux de renfort Le mandrin conique avec le revftement de surface et avec le filament enroulé sur celui-ci est réintroduit dans la chambre de dép 8-t de plasma à basse pression et une seconde couche de métal en matrice est déposée par pulvérisation de plasma sur la surface porteuse
du filament.
L'article rev&tu doit itre de nouveau retiré 6 de la chambre et usiné pour avoir une surface relativement lisse de m&me que pour avoir la rainure hélicoïdale adaptée pour recevoir le filament de renforcement enroulé en hélice Le cr Sne porteur des filaments et le mandrin sont ensuite réintroduits dans la chambre de dép 8 t de plasma à basse pression et une seconde surcouche d'un métal en matrice
peut ftre déposée sur celui-ci par pulvérisation de plasma.
i O n Ce processus d'usinage 4 de rainurage, d'enroulement et de pulvérisation peut @tre répété un certain nombre de fois Jusqu'à ce qu'un élément structurel renforcé de forme conique soit formé ayant l'ensembie souhaité de couches de renforcement. Z L'article renforcé ainsi formé peut ftre retiré du mandrin soit par usinage soit par dissolution avec des agents chimiques et l'élément renforcé de forme conique peut ftre ensuite aggloméré par thermocompression isostatique par l'intermédiaire de processus bien connus de
la technique.
Pour des commodités de référence, cette suite d'opérations est dénommée usinage 4 rainurage et enroulement De manière surprenante 4 on a trouvé que l'utilisation de cette suite d'opérations dans la préparation des structures ayant une section transversale généralement circulaire a eu pour résuitat des structures de densité plus élevée et des structures qui comportent un nombre plus élev 4 de couches de renforcement avant qu'une
déformation des filaments ne soit détectée.
i 30 La description détaillée de l'invention qui suit sera
comprise plus clairement par référence aux dessins annexés sur lesquels: La fig 1 est une illustration semi-schématique d'un mandrin conique approprié pour utilisation dans la pratique ; 6 de la prserinte invention. 7 - La fig 2 est une illustration semi-schématique du mandrin suivant le dépôt sur celui-ci d'une couche d'un
métal en matrice.
La fig 3 est une illustration semi-schématique du mandrin revêtu de la fig 2 qui a été usiné pour présenter une surface lisse et pour avoir une rainure
hélicoïdale formée dans la surface.
La fig, 4 est un détail du rainurage dans la
surface de la fig, 3.
La fig 5 est une illustration semi-schématique du mandrin de la fig 3 avec un filament enroulé dans sa
rainure hélicoïdale.
La fig, 6 est une illustration schématique de la structure de la fig 5 qui a été revêtue avec une couche d'un métal en matrice pour incorporer le filament de renforcement dans la surface de la matrice, et Il est généralement souhaitable pour des structures renforcées par filament d'avoir un espacement relativement uniforme entre les brins individuels du filament de la structure Ceci est particulièrement vrai avec des structures qui sont formées par le procédé de métallisation au pistolet L'enroulement du filament de renforcement sur une surface généralement cylindrique est quelque peu difficile lorsque la surface sur laquelle l'enroulement doit être placée est irrégulière de sorte que l'espacement entre les brins du filament de renforcement n'est pas uniforme ou régulier et en fait deux ou plusieurs brins peuvent se toucher comme résultat d'une telle non uniformité Lorsque le métal en matrice est appliqué par métallisation, l'attouchement des filaments exclut essentiellement le passage du métal pulvérisé à travers et autour des filaments afin d'envelopper ceux-ci et de fournir le meilleur renforcement pour la structure de
matrice de mnme que la densité la plus élevée du composé.
Un effort pour surmonter le problème est décrit et revendiqué dans la demande en attente n de série
07/546,969 déposée le 2 07 90.
On sait qu'avec certaines applications il peut être souhaitabile d' avoir un renforcement par filament formé sur une surface qui est délibérément irrégulière Par exemple, un cylindre classique à un diamètre uniforme régulier sur toute sa longueur Toutefois, certaines structures 1 cylindriques peuvent avoir un enfoncement soit une extrémité, soit aux deux extrémités ou quelque fois au milieu du cylindre afin de tenir compte de l'utilisation
spéciale pour laquelle la structure renforcée est prévue.
Un simple problème qui illustre la particularité de la présente invention est le cas dans lequel une structure généralement cylindrique doit être formée avec une forme généralement conique et avec le renforcement enroulé autour de la forme conique de sorte à prendre une forme
hlicoïdale conique S Toutefois, le problème discuté ci-
dessus par rapport aux déplacements des brins de l'élément de renforcement sur une surface qui n'est pas r 4 gulière ou lisse est accentué dans le cas d'une surface de forme conique. La filament enroulé sur une surface conique peut aussi se déplacer le long de la surface et mamener plusieurs brins se toucher à mesure que le filament tente à se réunir au niveau de la partie du plus petit diamètre d'un mandrin de support. Ainsi si un mandrin ayant la forme générale d'un cane comme illustré à la fg 1 est prévu et que la surface est rev- tue avec une couche initiale d'un métal en matrice, une surface de forme généralement conique est présentée pour l'application du renforcement filamenteux La tendance pour les brins individuels d'un tel renforcement filamenteux à se grouper et à se toucher pour présenter une surface &à el ap 9 ei ai; Sa au N ai 4 a z J:rew ua ie:;gw np -t a De+Jns 2 ap m 4 tno el ap uo Twes Tj-e A Tnd J Ed pdgep al slidu aue; n ap asq W ?t Tr tep anx rp'w aunnb majla; a D Ti 4 e W ua tî; W un'p yi B+e-j I Tns ap aqnon aun B Ae S Eews Eld Jed a 9 s ITJA Ind;sa au D np anew ns el:l Baqweq_ 4 açça; aun su Erp;mnpoquau S O t Up UT ipe W al O -a 9 uaseidai sed;sau inb uoxssaîd asseq W e$wsed ap j Sdp ap B Jqweq 4 D aun suep Uijpuep W}-p Uo F i Tke I 4 o el B D uoiel Sdifd Iu Ew el aîi;awiad ap ui+e a 5 îei sntd ael a BJ;wi Tp ep 9 l I 4 W 9 F Jxa uos sndap;uawalei Xe Suepua S Pl açu xzod aun a-ojdw Do o u I Upuewi E -n A^Jd;sa 9 nbuo O i ug un 4 p awoi el E Tue Ae OT ulpuew un S 6 T î wel pioqe;p 4;o; quesig ii as u 3 -s xauue su Tss Bp xfne B Bu Bi_+ 9 _ jed sainb T Idxa; uos ai'nbrwed ua siw a- S nad Uo Iq UBAUT
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99556 ú 99 Z
chambre et au moins une rainure en spirale 16 est usinée dans la surface de la matrice déposée De préférences une seule rainure est formée par usinage afin de créer un chemin pour déposer un enroulement de filament de renforcement sur la surface Afin d'#tre efficace en tant que filament de renforcement, une partie de volume importante du filament doit Etre déposée sur la surface à renforcer Le filament est assez mince et un enroulement de plus de 100 brins par 2 54 cm (pouce) est utilisé pour obtenir une
partie de volume importante du renforcement par filament.
On notera qu'il est très difficile de maintenir un espacement approprié d'un filament étant enroulé à une densité de brins de plus de 100 par 2 54 cm (pouce) De manière surprenante on a trouvé qu'on peut maintenir un espacement essentiellement régulier à une densité de brins élevée nécessitée pour former une structure renforcée avec une partie importante du volume du filament de renforcement Un détail d'une rainure en forme généralement de V usinée dans la surface conique est illustré dans la vue fragmentaire agrandie détaillée de la fig 4 Le filament enroulé 20 repose à l'intérieur de la rainure en forme de V après que le cône ait été enroulé avec le filament comme illustré à
la fig 5.
Après l'enroulement du filament sur le cône, le cône est de nouveau introduit dans la chambre de dépôt de plasma et un second revêtement 22 d'un métal en matrice est appliqué par pulvérisation par plasma à la surface avec le filament enroulé sur celui-ci afin d'incorporer le filament
dans le métal en matrice.
Les opérations de rainurages d'enroulement et de pulvérisation peuvent ître répétées un certain nombre de fois pour constituer une couche renforcée sur le mandrin conique La structure 20 formée est thermocompression isostatiquement afin de consolider la structure et d'augmenter sa densité pour approcher la densité maximale il
théorique pour l'article.
La manière selon laquelle le procède de la présente invention peut ître mis en pratique est illustrée par l'exemple suivant Dans cet exemple la structure qui a été actuellement formée est une structure ayant un diamètre constant plutôt qu'un diamètre variable Toutefois, ainsi qu'il sera évidents la mise en pratique dans cet exemple peut ître facilement transformée en une qui est appropriée pour utilisation avec un diamètre variable ou structure
conique.
EXEMPLE 1 z
Un mandrin d'un acier doux a été préparé pour dépôt sur celui-ci d'une couche d'un métal en matrice par une première pulvérisation par plasma d'une couche d'une épaisseur de O 05 mm ( 0 002 pouces) de A 1203 dans l'air Le mandrin à ensuite été introduit dans une chambre de dépôt de plasma H F & basse pression appropriée pour le dépôt d'un alliage
à base de titane sur celui-ci comme métal en matrice.
L'alliage à base de titane actuellement utilisé était Ti-
6242 (Ti-6 A 1-2 Sn-4 Zr-2 Mo) Après qu'une couche suffisante d'approximativement 3 175 mm ( 0,125 pouces) ait été déposée sur la surface du mandrin, le mandrin a été mis à refroidir sur quoi le mandrin a été séparé de Ti-6242 et a été retiré de la chambre L'anneau de Ti- 6242 avait un diamètre d'approximativement 10 cm ( 4 pouces)et une longueur d'approximativement 10 cm ( 4 pouces) L'anneau de Ti-6242 a été placé sur un tour et la surface irrégulière du métal déposé a été retirée par usinage Après le retrait de la surface irrégulière, une rainure en spirale pour 112 filaments/2 54 cm a été formée dans la surface du métal par usinage Un filament de carbure de silicium est plus précisément un filament SCS-6 commercialisé par Textron Specialty Materials Corporation a été collé à une extrémité du mandrin et le filament a été ensuite enroulé sur le mandrin afin d'occuper la rainure qui avait été usinée sur 12 - la surface métallique de la matrice, Lorsque la rainure a été totalement remplie, l'autre extrémité du filament a été également collée afin de maintenir le filament en place
pendant l'opération suivante.
L'anneau Ti-6242 de support de filament a été remis dans la chambre de dépôt de plasma à basse pression et une seconde couche de métal en matrice a été déposée sur et autour des fibres et sur la surface de l'anneau par un processus de dépôt par plasma h f à basse pression Après le dépôt, l'anneau a été mis à refroidir et a été retiré de la chambre La seconde couche de métal en matrice a été usinée en une surface polie à l'intérieur de 0 254 mm ( 0 010 pouces) radialement à la couche précédente et une rainure en spirale a été usinée dans sa surface Les opérations d'enroulement dru filament de renforcement dans la rainure formée dans la surface annulaire et de dépôt supplémentaire par pulvérisation du métal en matrice sur celle-ci ont été répétées jusqu'à ce que huit couches de renforcement et de
métal en matrice aient été déposées sur le mandrin.
Une autre caractéristique de la présente invention est que l'espacement entre les brins individuels de renforcement peuvent varier sur la longueur d'un article sur lequel le filament de surface est enroulé afin de modifier les propriétés du composant suivant cette longueur pour des applications spéciales dans lesquelles une telle modification de propriété est souhaitable Un tel espacement est modifié en changeant l'écartement de la
rainure dans laquelle le filament est enroulé.
Claims (2)
1 Structure composée renforcée par filament caractérisée en ce qu'elle comprend a une matrice métallique ( 14) à base de titane; une pluralité de rangées de renforcement filamenteux ( 16) incorporées dans ladite matrice ( 14); l'espacement de filament à filament de renforcement ( 20) à l'intérieur de ladite matrice ( 14) étant uniforme et étant fixe à l'intérieur de moins de 0 254 mm (d'un centième de pouce).
2 Procédé de formation d'une structure composée renforcée par filament caractérisée en ce qu'elle comprend les opérations consistant à: fournir un mandrin ( 10) sur lequel on forme la structure composée, ledit mandrin ( 10) ayant une forme généralement conique; déposer par pulvérisation par plasma une couche d'un
métal en matrice sur ledit mandrin ( 10); -
usiner une rainure en hélice ( 10 > dans la surface de ladite couche ( 14); enrouler un filament de renforcement ( 20) dans la rainure ( 16) dans ladite surface ( 14), et pulvériser à nouveau ladite couche enroulée de filament avec une seconde couche dudit métal en matrice ( 22) afin
d'incorporer ledit filament ( 20) dans celle-ci.
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