FR2817284A1 - PART, IN PARTICULAR HYDRAULIC COMPONENT, OF COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH A PART - Google Patents
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Abstract
Une pièce (11) telle qu'un composant hydraulique, en matière composite à matrice organique et fibres (22-24) de renfort, est revêtue au moins localement d'une couche de protection ou de renforcement métallique ou à base de métal. Elle comprend des fibres (21) métalliques ou à base de métal, la couche précitée étant formée par dépôt électrolytique sur ces fibres métalliques ou à base de métal.A part (11) such as a hydraulic component, made of a composite material with an organic matrix and reinforcing fibers (22-24), is coated at least locally with a protective or reinforcing layer, metallic or based on metal. It comprises metallic or metal-based fibers (21), the aforementioned layer being formed by electrolytic deposition on these metallic or metal-based fibers.
Description
L'invention a trait a une pièce, telle qu'un composant hydraulique, enThe invention relates to a part, such as a hydraulic component, in
matière composite à matrice organique et fibres de renfort, et à un procédé de fabrication d'une telle pièce. Par composant hydraulique, on entend tout organe susceptible d'interagir avec un écoulement d'eau et, par exemple, un auget de turbine de type Pelton, une directrice pour un écoulement, une pale de turbine de type Kaplan ou une composite material with organic matrix and reinforcing fibers, and a method of manufacturing such a part. The term “hydraulic component” means any member capable of interacting with a flow of water and, for example, a Pelton type turbine trough, a director for a flow, a Kaplan type turbine blade or a
roue de turbine de type Francis.Francis type turbine wheel.
Il est connu, par exemple de WO-A-99/49 213 ou de EP-A-0 900 283 de réaliser les augets d'une roue de turbine Pelton en matériau plastique composite. En effet, les matériaux composites à matrice organique possèdent de bonnes propriétés mécaniques dues, pour l'essentiel, au tissage des fibres de It is known, for example from WO-A-99 / 49,213 or from EP-A-0 900 283 to produce the buckets of a Pelton turbine wheel in composite plastic material. Indeed, organic matrix composite materials have good mechanical properties due, essentially, to the weaving of
renfort. Toutefois, ces matériaux sont difficilement exploita- reinforcement. However, these materials are difficult to use.
bles lorsqu'ils travaillent dans un environnement o ils sont soumis à de l'abrasion, à des chocs ou à de l'érosion par des éléments solides présents, par exemple, dans le flux dans lequel ils baignent. Par exemple, dans le cas d'une turbine Pelton utilisée dans une chute dont l'eau est fortement chargée en matières minérales, l'endommagement de la matrice organique et des fibres de renfort en carbone est très rapide, when they work in an environment where they are subject to abrasion, shock or erosion by solid elements present, for example, in the flow in which they are immersed. For example, in the case of a Pelton turbine used in a chute whose water is heavily loaded with mineral matter, the damage to the organic matrix and to the carbon reinforcing fibers is very rapid,
de sorte que la durée de vie des augets est faible. so the lifespan of the buckets is short.
Des problèmes analogues se posent avec d'autres pièces Similar problems arise with other parts
qui sont soumises à des conditions d'utilisation difficiles. which are subject to difficult conditions of use.
Il est connu de tenter de protéger de telles pièces ou composants en appliquant une couche de protection ou de renforcement à base de métal sur de telles pièces. Les dépôts obtenus ont une adhérence résultant, pour l'essentiel, de la différence d'énergie de surface entre le matériau constitutif It is known to try to protect such parts or components by applying a protective or reinforcing layer based on metal on such parts. The deposits obtained have an adhesion resulting, essentially, from the difference in surface energy between the constituent material
de la pièce et celui constitutif de la couche de protection. of the part and that constituting the protective layer.
En pratique, ceci s'avère insuffisant et un risque important de désolidarisation intempestive de la couche de protection par rapport à la pièce sur laquelle elle est appliquée existe, In practice, this proves to be insufficient and there is a significant risk of untimely separation of the protective layer from the part to which it is applied,
avec des risques d'endommagement d'une installation indus- with risk of damage to an undue installation
trielle et une usure alors très rapide de la pièce en matière composite. En particulier, un tel type de dépôt n'est pas trielle and then very rapid wear of the composite part. In particular, such a type of deposit is not
applicable à des composants hydrauliques. applicable to hydraulic components.
C'est à ces problèmes qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une pièce en matière composite qui est protégée efficacement contre les chocs et l'abrasion. Dans cet esprit, l'invention concerne une pièce, notamment un composant hydraulique, en matière composite à matrice organique et fibres de renfort, cette pièce étant revêtue au moins localement d'une couche de protection métallique ou à base de métal, caractérisée en ce qu'elle comprend des fibres métalliques ou à base de métal, la couche de protection ou de renforcement étant formée par dépôt It is to these problems that the invention more particularly intends to remedy by proposing a part made of composite material which is effectively protected against impact and abrasion. In this spirit, the invention relates to a part, in particular a hydraulic component, made of a composite material with an organic matrix and reinforcing fibers, this part being coated at least locally with a protective layer of metal or based on metal, characterized in that that it comprises metallic or metal-based fibers, the protective or reinforcing layer being formed by deposition
électrolytique sur ces fibres métalliques ou à base de métal. electrolytic on these metallic or metal-based fibers.
Grâce à l'invention, il est possible d'avoir un accro- Thanks to the invention, it is possible to have an addiction
chage intime entre la matière de la couche de protection ou de renforcement et la matière des fibres dans la mesure o le couple de matériau choisi, pour les fibres métalliques ou à base de métal d'une part et la couche de protection d'autre part, est compatible avec un dépôt électrolytique. En fait, le dépôt électrolytique permet probablement d'obtenir une liaison chimique entre le matériau des fibres de renfort et le matériau de la couche de protection, ce qui évite les intimate chage between the material of the protective or reinforcing layer and the material of the fibers insofar as the couple of material chosen, for metallic or metal-based fibers on the one hand and the protective layer on the other , is compatible with electrolytic deposition. In fact, the electroplating probably makes it possible to obtain a chemical bond between the material of the reinforcing fibers and the material of the protective layer, which avoids the
risque de décrochage intempestif de la couche de protection. risk of inadvertent release of the protective layer.
En particulier, la rigidité de l'accrochage obtenue ne dépend pas des rayons de courbure de la pièce dans les zones o est apposée la couche de protection ou de renforcement, ce qui permet d'envisager des dépôts sur des arêtes vives, telles que des arêtes médianes des augets d'une turbine Pelton. Des essais de flexion ont permis de montrer que la rupture d'une pièce conforme à l'invention a lieu par désolidarisation du mat ou tissu de fibres de renfort et de la matière organique avant la séparation entre la couche de protection et le In particular, the rigidity of the attachment obtained does not depend on the radii of curvature of the part in the areas where the protective or reinforcing layer is affixed, which makes it possible to envisage deposits on sharp edges, such as middle edges of the buckets of a Pelton turbine. Bending tests have made it possible to show that the rupture of a part in accordance with the invention takes place by separation of the mat or fabric of reinforcing fibers and of the organic matter before the separation between the protective layer and the
substrat sur lequel elle est apposée. substrate on which it is affixed.
Selon des aspects avantageux de l'invention, la pièce incorpore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - Les fibres métalliques ou à base de métal sont disposées, pour l'essentiel, au voisinage de la surface de la pièce destinée à être revêtue de la couche de protection de renforcement. En effet, c'est au niveau de la surface de la According to advantageous aspects of the invention, the part incorporates one or more of the following characteristics: - The metallic or metal-based fibers are arranged, essentially, in the vicinity of the surface of the part intended to be coated with the protective reinforcement layer. Indeed, it is at the surface of the
pièce qui constitue le substrat que doit avoir lieu l'accro- part which constitutes the substrate which the accretion must take place
chage. - Le matériau des fibres métalliques ou à base de métal comprend du cuivre, de l'alumimium, ou un alliage de ces métaux et/ou d'autres éléments métalliques. - Le matériau de la couche de protection ou de renforcement comprend du nickel, du cobalt, du cuivre, d'autres éléments métalliques et/ou des alliages de ces éléments. chage. - The material of metallic or metal-based fibers comprises copper, alumimium, or an alloy of these metals and / or other metallic elements. - The material of the protective or reinforcing layer comprises nickel, cobalt, copper, other metallic elements and / or alloys of these elements.
- La pièce en question est un composant hydraulique. - The part in question is a hydraulic component.
L'invention concerne également un procédé de fabrication The invention also relates to a manufacturing method
d'une pièce telle que précédemment décrite et, plus spécifi- of a part as previously described and, more specifically
quement un procédé qui comprend des étapes consistant à: - utiliser, dans certaines zones au moins de la pièce, des fibres métalliques ou à base de métal et - procéder à un dépôt électrolytique de la couche de protection ou de renforcement sur ces fibres métalliques only a process which comprises steps consisting in: - using, in at least certain areas of the room, metallic or metal-based fibers and - carrying out an electrolytic deposition of the protective or reinforcing layer on these metallic fibers
ou à base de métal.or based on metal.
Selon des aspects avantageux de l'invention, le procédé incorpore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - Il consiste à isoler les fibres de renfort de la pièce située dans des zones autres que celles incluant des fibres métalliques ou à base de métal avant de procéder au dépôt électrolytique. Ceci permet de définir avec une bonne précision la géométrie de la couche de protection ou de renforcement. On peut en particulier prévoir d'isoler les fibres, autres que les fibres métalliques ou à base de métal, According to advantageous aspects of the invention, the method incorporates one or more of the following characteristics: - It consists in isolating the reinforcing fibers from the part located in areas other than those including metallic or metal-based fibers before proceeding to electroplating. This allows the geometry of the protective or reinforcement layer to be defined with good precision. In particular, it is possible to isolate the fibers, other than metallic or metal-based fibers,
par application d'un vernis isolant. by applying an insulating varnish.
- On applique, par un dépôt de type "à plasma", un - A "plasma" type deposit is applied,
élément métallique sur la couche de protection ou de renforce- metallic element on the protective or reinforcing layer
ment après son dépôt. Cet aspect de l'invention tire parti du fait que l'accrochage obtenu entre la couche précitée et la pièce ou substrat est suffisamment intense pour permettre de ment after its deposit. This aspect of the invention takes advantage of the fact that the bonding obtained between the aforementioned layer and the part or substrate is sufficiently intense to allow
supporter des éléments rapportés. to support reported elements.
- On utilise, pour le bain électrolytique, une solution de composés métalliques incluant du nickel à une température d'environ 60 C avec une contre-électrode à base de nickel et une densité de courant de l'ordre de 4 A/dm2, alors que les fibres de renfort sur lesquelles on effectue le - For the electrolytic bath, a solution of metallic compounds including nickel is used at a temperature of approximately 60 C with a nickel-based counter electrode and a current density of the order of 4 A / dm2, then that the reinforcing fibers on which the
dépôt sont réalisées dans un matériau comprenant du cuivre. deposit are made of a material comprising copper.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la The invention will be better understood and other advantages thereof will appear more clearly in the light of the
description qui va suivre de deux modes de réalisation d'un description which follows of two embodiments of a
composant hydraulique conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un auget de turbine Pelton conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue éclatée et à plus grande échelle du détail II à la figure 1, lors d'une première étape de fabrication de l'auget de la figure 1; - la figure 3 est une coupe selon la ligne III-III à la figure 1, lors d'une seconde étape de fabrication de cet auget et - la figure 4 est une vue en plan d'un tissu de fibres de renfort utilisé dans un auget conforme à un second hydraulic component in accordance with its principle, given solely by way of example and made with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is an exploded perspective view of a Pelton turbine bucket according to the invention; - Figure 2 is an exploded view on a larger scale of detail II in Figure 1, during a first step of manufacturing the bucket of Figure 1; - Figure 3 is a section along line III-III in Figure 1, during a second step of manufacturing this bucket and - Figure 4 is a plan view of a fabric of reinforcing fibers used in a trough conforms to a second
mode de réalisation de l'invention. embodiment of the invention.
L'auget 1 représenté aux figures 1 à 3 est destiné à être monté sur la jante non représentée d'une roue de turbine Pelton. Cet auget 1 est constitué d'une première peau 11 formant son intrados et d'une seconde peau 12 formant son extrados, ces peaux étant réalisées en matériaux composites avec une matrice à base de résine expoxyde, polyester, vinylester, uréthane, polyamide ou poly-ether-ether-cétone et des fibres de renfort à base de carbone, par exemple, sur l'essentiel de leur surface. Ces fibres se présentent sous forme d'un tissu imprégné de résine. La géométrie des peaux 11 et 12 est telle qu'elles définissent entre elles un volume The bucket 1 shown in Figures 1 to 3 is intended to be mounted on the rim not shown of a Pelton turbine wheel. This bucket 1 consists of a first skin 11 forming its lower surface and a second skin 12 forming its upper surface, these skins being made of composite materials with a matrix based on expoxy resin, polyester, vinylester, urethane, polyamide or poly -ether-ether-ketone and carbon-based reinforcing fibers, for example, over most of their surface. These fibers are in the form of a fabric impregnated with resin. The geometry of the skins 11 and 12 is such that they define a volume between them
dans lequel sont disposées des nervures de rigidification 13. in which are stiffening ribs 13.
On note 14 l'arête médiane de l'auget 1 qui est formée par la peau 11. Cette arête est soumise à des efforts de friction intenses et variables selon la qualité de l'eau utilisée pour faire tourner la turbine Pelton. Cette arête est également soumise à des chocs car l'eau peut être chargée en We note 14 the middle edge of the bucket 1 which is formed by the skin 11. This edge is subjected to intense friction forces which vary according to the quality of the water used to turn the Pelton turbine. This edge is also subjected to shocks because the water can be charged in
débris de taille relativement importante. relatively large debris.
Conformément à l'invention, une couche 15 de protection According to the invention, a protective layer 15
et de renforcement de l'arête 14 est prévue sur la peau 11. and for strengthening the edge 14 is provided on the skin 11.
La couche 15 est formée par un dépôt électrolytique Layer 15 is formed by an electrolytic deposit
localisé sur la peau 11.localized on the skin 11.
Pour que ce dépôt conduise à un accrochage intime de la couche 15 sur l'arête 14, et comme il ressort plus particuliè- rement des figures 2 et 3, o l'écartement des fibres est exagéré par rapport à la réalité, la peau 11 comprend, au niveau de l'arête 14, des fibres de renfort 21 en cuivre alors que, dans le reste de sa surface, la peau 11 est renforcée par So that this deposit leads to an intimate attachment of the layer 15 on the edge 14, and as is more particularly apparent from FIGS. 2 and 3, where the spacing of the fibers is exaggerated compared to reality, the skin 11 includes, at the edge 14, reinforcing fibers 21 made of copper while, in the rest of its surface, the skin 11 is reinforced by
des fibres de carbone.carbon fibers.
En fait, les fibres de renfort en cuivre 21 sont tissées entre elles et forment un tissu 23 constituant la couche supérieure ou externe de la peau 11il dans la zone de l'arête In fact, the copper reinforcing fibers 21 are woven together and form a fabric 23 constituting the upper or outer layer of the skin 11il in the region of the ridge
14, alors que des tissus 24 de fibres de carbone sont superpo- 14, while 24 carbon fiber fabrics are superpo-
sés dans le reste de l'épaisseur de la peau 11 et sous le tissu 23 au niveau de l'arête 14. Ainsi, les fibres 21 sont regroupées au voisinage de la surface externe S de la peau 11, sés in the rest of the thickness of the skin 11 and under the fabric 23 at the edge 14. Thus, the fibers 21 are grouped in the vicinity of the external surface S of the skin 11,
dans la zone de l'arête 14.in the area of the ridge 14.
Selon une variante non représentée de l'invention, l'ensemble des fibres de renfort utilisé au niveau de l'arête 14 pourrait être des fibres de cuivre, auquel cas plusieurs According to a variant not shown of the invention, all of the reinforcing fibers used at the edge 14 could be copper fibers, in which case several
couches du type du tissu 23 seraient superposées. 23 fabric type layers would be superimposed.
Selon une autre variante non représentée de l'invention, des mats de fibres non tissées pourraient être utilisés à la According to another variant, not shown, of the invention, non-woven fiber mats could be used for the
place des tissus 23 et 24.place of fabrics 23 and 24.
Comme représenté à la figure 4 pour un second mode de réalisation, il est également possible de prévoir que les fibres métalliques 21 s'étendent selon une seule direction du tissu 23, par exemple, qu'elles en constituent les fils de chaîne sur une partie de sa largeur, alors que les fils de trame sont constitués par des fils de carbone. Les fils de trame en carbone 22 s'étendent à la fois sur une partie 23A du tissu 23 dans laquelle ils sont tissés avec des fils de chaîne 21 en cuivre et sur des parties 23B du tissu 23 dans lesquelles ils sont tissés avec des fils de chaîne 26 en carbone. Ainsi, la couche externe de la peau 11 de l'auget 1 est-elle continue, une partie seulement de celle-ci étant adaptée au dépôt électrolytique. Dans ce cas, la largeur de la partie 23A est déterminée en fonction de la largeur souhaitée de la couche 15. Le caractère continu du tissu 23 assure un bon ancrage des fils 21 dans la structure de la peau 11. A la figure 4, l'écartement des fibres est également As shown in FIG. 4 for a second embodiment, it is also possible to provide that the metallic fibers 21 extend in a single direction of the fabric 23, for example, that they constitute the warp threads thereof on a part of its width, while the weft threads consist of carbon threads. The carbon weft threads 22 extend both over a portion 23A of the fabric 23 in which they are woven with warp threads 21 of copper and over portions 23B of the fabric 23 in which they are woven with threads of carbon chain 26. Thus, the outer layer of the skin 11 of the bucket 1 is continuous, only part of it being adapted to electrolytic deposition. In this case, the width of the part 23A is determined as a function of the desired width of the layer 15. The continuous nature of the fabric 23 ensures good anchoring of the wires 21 in the structure of the skin 11. In FIG. 4, the fiber spacing is also
exagéré pour améliorer la compréhension du dessin. exaggerated to improve understanding of the drawing.
EXEMPLESEXAMPLES
Lorsque la peau 11 a été moulée, on dépose sur les parties 16 de cette peau ne comprenant que des fibres de carbone 22, à savoir les bandes 24A dans le premier mode de réalisation ou les parties 23B dans le second, une couche 25 de vernis isolant, avant de nettoyer et de dégraisser les couches de tissus 23 comprenant des fibres 21 et de plonger la peau 11 dans un bain de composés métalliques avec la répartition suivante: NiCl 50 g/l, NiSo4 150 g/l, H3Po3 8 g/l, When the skin 11 has been molded, a layer 25 of varnish is deposited on the parts 16 of this skin comprising only carbon fibers 22, namely the strips 24A in the first embodiment or the parts 23B in the second. insulation, before cleaning and degreasing the layers of fabrics 23 comprising fibers 21 and immersing the skin 11 in a bath of metallic compounds with the following distribution: NiCl 50 g / l, NiSo4 150 g / l, H3Po3 8 g / l
H3Po4 26,3 ml/l.H3Po4 26.3 ml / l.
Ce bain est maintenu à une température d'environ 60 C. This bath is maintained at a temperature of around 60 C.
On utilise une contre-électrode en nickel et des éléments dépassivants et on applique un courant avec une densité d'environ 4 A/dm2, ce qui permet d'obtenir sur le tissu 23 la formation de la couche 15 essentiellement avec du nickel, la A nickel counter-electrode and protruding elements are used and a current is applied with a density of approximately 4 A / dm2, which makes it possible to obtain on the fabric 23 the formation of the layer 15 essentially with nickel, the
couche obtenue ayant une dureté Vickers de l'ordre de 150 HV. layer obtained having a Vickers hardness of the order of 150 HV.
Des résultats satisfaisants ont également été obtenus avec des ions cobalt en solution dans le bain précité, auquel Satisfactory results have also been obtained with cobalt ions in solution in the abovementioned bath, at which
cas le dépôt obtenu est de type Ni-Co. case the deposit obtained is of Ni-Co type.
Bien entendu, d'autres couples de métaux peuvent être envisagés pour, d'une part, les fibres métalliques 21 et, d'autre part, le bain d'électrolyte, c'est-à-dire la couche Of course, other pairs of metals can be envisaged for, on the one hand, the metal fibers 21 and, on the other hand, the electrolyte bath, that is to say the layer
de protection ou de renfort 15.protection or reinforcement 15.
On peut notamment prévoir d'utiliser les matériaux suivants: - pour les fibres métalliques: cuivre, aluminium, alliages de ces métaux ou d'autres éléments métalliques - pour la couche de protection ou de renforcement: cuivre, nickel, cobalt ou autres éléments métalliques ou We can in particular plan to use the following materials: - for metallic fibers: copper, aluminum, alloys of these metals or other metallic elements - for the protective or reinforcing layer: copper, nickel, cobalt or other metallic elements or
alliages de ces éléments.alloys of these elements.
L'invention n'est pas limitée à un auget de turbine Pelton et peut être mise en oeuvre avec une pale de turbine Kaplan, avec une directrice, notamment au niveau de leurs bords d'attaque respectifs, et avec une roue de turbine Francis, notamment au niveau des bords d'attaque des aubes et au niveau des bords exposés de la ceinture et du plafond. Dans tous les cas, les zones à protéger sont des zones avec de faibles rayons de courbure, ce qui n'est pas gênant compte The invention is not limited to a Pelton turbine bucket and can be implemented with a Kaplan turbine blade, with a director, in particular at their respective leading edges, and with a Francis turbine wheel, especially at the leading edges of the blades and at the exposed edges of the belt and the ceiling. In all cases, the areas to be protected are areas with small radii of curvature, which is not a problem.
tenu de l'accrochage intime obtenu par dépôt électrolytique. given the intimate bonding obtained by electrolytic deposition.
D'autres pièces mécaniques peuvent être réalisées grâce Other mechanical parts can be made thanks to
à l'invention, telles que par exemple des ailettes de turbine. to the invention, such as for example turbine fins.
Quel que soit le type de la pièce considérée, l'accro- Whatever the type of part considered, the
chage intime obtenu entre la couche de protection ou de renforcement et le substrat permet d'envisager de supporter des éléments rapportés sur cette couche par dépôt dit "à plasma", de type plasma spray, PVD ("Power Vapor Deposition" ou dépôt par voie physique), CVD ("Chemical Vapor Deposition" ou dépôt par voie chimique), etc... En effet, l'élévation localisée de température permettant le dépôt est compatible intimate heat obtained between the protective or reinforcing layer and the substrate makes it possible to envisage supporting elements added to this layer by so-called "plasma" deposition, of the plasma spray type, PVD ("Power Vapor Deposition" or deposition by channel physical), CVD ("Chemical Vapor Deposition"), etc ... Indeed, the localized rise in temperature allowing the deposition is compatible
avec la nature du matériau de la couche, sans risque d'endom- with the nature of the layer material, without risk of damage
magement de la pièce en matériaux composites. Ce dépôt supplémentaire avec plasma permet d'augmenter la protection thermique, la protection contre l'érosion ou la corrosion, magement of the part in composite materials. This additional plasma deposit increases thermal protection, protection against erosion or corrosion,
voire la protection mécanique.or even mechanical protection.
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