WO2011121232A2 - Methode de fabrication d'un insert de forme allongee en materiau composite a matrice metallique - Google Patents

Methode de fabrication d'un insert de forme allongee en materiau composite a matrice metallique Download PDF

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shaping element
insert
metal
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Jean-Michel Patrick Maurice Franchet
Gilles Charles Casimir Klein
Richard Masson
Louis Salvat
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Snecma
Messier-Dowty Sa
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    • Y10T428/2931—Fibers or filaments nonconcentric [e.g., side-by-side or eccentric, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to the field of composite metal matrix materials and more particularly to a method of manufacturing an insert formed of ceramic fibers in a metal matrix to reinforce a metal part.
  • CMM composite metal matrix insert
  • a composite material comprises a matrix of metal alloy, for example titanium alloy Ti, within which fibers extend, for example ceramic fibers of SiC silicon carbide.
  • Such fibers have a tensile strength much higher than that of titanium (typically 4000 MPa against 1000 MPa). It is therefore the fibers that take up the efforts, the metal alloy matrix ensuring a binder function with the rest of the part, as well as protection and insulation of the fibers, which must not come into contact with each other. other.
  • the ceramic fibers are resistant to erosion, but must necessarily be reinforced with metal.
  • These composite materials can be used in the manufacture of disks, shafts, cylinder bodies, housings, spacers, as reinforcements of monolithic parts such as blades, etc.
  • a known reinforcement technique consists in inserting a circular winding of coated fibers into the part.
  • a CMM insert manufacturing technique is based on the principle of coiled wire winding described in patent EP 1,726,677 filed in the name of Snecma.
  • the insert is obtained from a plurality of coated yarns each comprising a ceramic fiber coated with a metal sheath. This type of yarn is referred to as coated yarn thereafter.
  • the manufacture comprises a step of winding a bundle or a sheet connected son son coated around a piece of revolution perpendicular to the axis of the piece.
  • the insert is then subjected to a hot isostatic pressing step in a container.
  • a container is a blank of a metal part in which a cavity for receiving the insert made of CMM material has been machined and which is then subjected to a hot isostatic compaction treatment. This treatment is designated CIC thereafter.
  • the described parts thus obtained are of circular type and are particularly suitable, in addition to the compressor discs for producing circular parts such as shafts, cylinder bodies or housings.
  • Other mechanical parts require properties different from those presented by the circular parts. This is particularly the case of rods used for example in landing systems or structural parts such as engine suspensions, substantially oblong shape.
  • the function of these parts is to transmit a tensile force and / or unidirectional compression.
  • the reinforcement of these parts then requires CMM inserts of rectilinear or substantially rectilinear shape, at least in part. Indeed, the fibers must be oriented in the direction of the efforts.
  • the manufacture of these inserts industrially and at the least cost is delicate.
  • a method of manufacturing a mechanical part comprising at least one insert of CMM material comprises producing an insert blank by winding a bundle or a bonded web of coated wires around an annular support, a portion of which comprises a rectilinear or substantially rectilinear portion.
  • the method described in FR 2919284 to Snecma and Messier-Dowty develops this principle and then comprises inserting the above insert blank into a first metal container, the hot isostatic compaction of the first container, followed by machining thereof to form an insert member.
  • the method of manufacturing a mechanical part comprises the following steps: insertion of the insert element into a second container, hot isostatic compaction of the second container and machining of the second container for form the desired mechanical part.
  • the mechanical part thus obtained for example a connecting rod, advantageously makes it possible to transmit unidirectional tensile and / or compressive forces in the direction of the ceramic fibers that have been integrated therein.
  • Patent application FR 2,925,896 teaches to incorporate this type of beam in a rectilinear groove opening at its ends.
  • the coated wires are lost at the non-straight parts. This loss is not negligible because the semi-finished wire product represents a significant cost in the total cost of the part.
  • the winding, in particular on oval shapes, induces stresses in the wound insert that may loosen resulting in deformation of the insert during cutting.
  • a technique based on the winding by winding of a ply of pre-assembled coated yarns is essentially aimed at producing inserts of cross section, perpendicular to the fibers, square or rectangular.
  • sectional reinforcements for example trapezoidal or elliptical, would avoid or at least limit stiffness jumps and thus improve the mechanical strength of the transition zones.
  • a reinforcement whose number of fibers is lower along the edge of the integral piece of the fastener allows a better transition of efforts at the latter.
  • the objective of the present invention is the development of a technique for making inserts at reduced cost and easily industrializable.
  • the invention also aims a manufacturing technique that allows the realization of so-called form inserts that is to say whose cross section may be different from the square or rectangular shape.
  • the beam is formed from coated yarns which are unwound from yarn packages.
  • the bundle of wires before it passes through the shaping element has interstitial spaces resulting from the circular section of the coated wires.
  • the shaping element is dimensioned so as to reduce the expansion of the wires and the interstitial spaces while giving the beam the desired shape. This solves the problem of industrialization and formatting of the wire bundle.
  • the passage section of the shaping element is chosen freely according to the shape, in the transverse plane, desired of the insert.
  • the shaping element comprises at least two rotary rollers, the axes of the two rollers being oriented perpendicular to the direction of advancement of the coated son. To complete the contour, the shaping element comprises in particular fixed lateral supports between the rollers.
  • the shaping element may also comprise a plurality of rollers constituting the contour of the passage section.
  • the function of the rollers is to reduce the friction on the bundle of coated threads accompanying its movement.
  • Fixed elements are also suitable insofar as the friction of the fibers is reduced. It is thus possible to form a shaping element whose passage section is polygonal with rectilinear or curved sides or of oval or circular section.
  • a metal foil also referred to as a foil, is advantageously interposed between the coated strands of the bundle and at least a portion of the sides of the shaping element.
  • the rings are formed for example of a metal sheet, forming a strap with which the beam is tightly wrapped and whose ends are welded after being folded over one another.
  • the bundle of coated wires is then cut to the desired length corresponding to the length of the insert to be placed in the metal container.
  • the son coated before their bundling are guided in their movement towards the shaping element so as to form subassemblies or elementary beams. It may be sheets that are superimposed on each other to form said beam.
  • An elementary beam is formed by simultaneously unwinding the coated son of the subassembly from separate coils.
  • the elementary beams can have any shape of cross section.
  • the son is coated in elementary bundles in a plurality of guides, chutes or tubes which are arranged to converge towards the passage section of the shaper element.
  • the method of the invention is a step of a method of manufacturing a metal part comprising the incorporation of the insert thus formed into a metal container and hot isostatic compaction of the assembly, as described by example in the patent application FR2933422 or the application FR2933423 in the name of Messier Dowty.
  • At least one housing for an insert is machined in a metal body forming the container
  • said insert is disposed in the housing
  • a metal cover is placed on the body so as to cover the insert
  • the lid is welded to the metal body
  • said treated assembly is machined to obtain said part.
  • the solution of the invention allows the incorporation of the insert in a container, immediately downstream of the shaping element.
  • the container may comprise a longitudinal through housing in which it comes to slide the bundle of coated son. In this case it is possible to dispense with retaining rings or even longitudinal foils.
  • the invention also relates to an elongated piece comprising at least one fiber reinforcement in the longitudinal direction, obtained according to the method previous whose cross section of the reinforcement has a non-rectangular or square shape, such as trapezoidal or oval.
  • Figure 1 shows the different steps 1a, 1 d of manufacture of an elongated piece according to the prior art
  • FIG. 2 represents a side view of an installation for manufacturing a rectilinear insert according to the invention
  • Figure 3 shows the installation of Figure 2, front view
  • Figure 4 shows an insert manufactured according to the invention
  • Figure 5 shows a variant form die.
  • FIG. 1a extracted from the patent application FR 2,919,284 in the names of Snecma and Messier-Dowty, we see a container 1 with a main body 4 of elongate shape, intended to form a connecting rod of a train of landing, for example. It has machined a groove 41 on each of the two faces of the body 4. This groove allows the housing of an insert 3 which comprises two straight portions parallel or not between them joined at the ends by a portion in an arc.
  • the inserts are of the ceramic fiber type coated with metal such as titanium.
  • the grooves and the inserts are complementary shapes so that the insert is fit without play in the groove.
  • the groove in the container and the pin on the lid must be perfectly assembled to prevent the fibers, which have a very small diameter, of the order of 0.25 mm, can not escape during the hot isostatic compaction.
  • Two covers 5 are provided with a projecting portion forming a pin 51 and cover the faces of the body 4. The ten bears on the insert housed in the groove and closes the latter.
  • the cover 5 is welded, for example by electron beam, to the body 4, providing a vacuum inside the container.
  • the container is visible in Figure 1b; it is partly torn off to show the inserts.
  • the container is then placed in a suitable enclosure to undergo hot isostatic compaction treatment.
  • This treatment is intended to make the container, its lid and the plies of coated son solidarity with each other and form a monolithic piece.
  • the cross section of the container of Figure 1c shows that the edges 42 of the groove 41 are chamfered so as to provide a clearance with the portion of the cover 5 adjacent to the pin 51.
  • the pressure is exerted in the direction perpendicular to the surface of the cover causing the collapse of the covers.
  • the heat and the pressure, respectively of the order of 1000 ° C. and 1000 bars allow the metal of the matrix to fill the voids between the coated wires constituting the insert.
  • the volume of the insert decreases by about 23%.
  • the post is thus moved towards the bottom of the groove and the game on either side of the post is absorbed.
  • the metal parts soldered by diffusion and the coated wire insert compacted; the part is thus reinforced by the coated threads imprisoned in the mass.
  • Figure 1d shows the part blank obtained with two inserts visible in transparency. The blank is then machined to obtain the desired part. The ceramic fibers are thus incorporated in the areas of the part which ensure the transmission of the forces in traction and compression.
  • inserts used according to the teaching of this patent FR 2 919 283 are of annular form but as described in the patent application FR 2 919 284, they can be formed of elongated elements bars. In the latter case the inserts are incorporated, according to the technique described in this document, in the container after having been compacted beforehand.
  • the production of rectilinear inserts according to FR 2 919 284 comprises winding the coated wires around an annular-shaped winding device with rectilinear portions.
  • the shape may be oblong, with rectilinear portions, or polygonal whose sides of the polygon constitute the rectilinear portions.
  • the turns of the ring are immobilized together by means of welded metal straps.
  • the assembly is incorporated in a container and undergoes hot isostatic compaction treatment according to the technique described above. From the semi-finished part, elongated compact inserts are manufactured which are individually incorporated into containers for the manufacture of parts with ceramic fiber reinforcements.
  • the embodiment of the inserts is simplified by forming inserts of elongate shape made directly of coated wires 13 assembled in the manner of bundles or bundles.
  • an example of an installation for implementing the method of the invention comprises a reel 10 supporting a plurality of rows of coils 12 on which are wound the coated son 13. Coated son are driven from their respective coils in a chute slide system 14 to which they converge. The system gathers the coated wires into a bundle. At this stage the beam is relatively abundant.
  • the coated yarns are advantageously arranged in a plurality of subassemblies or layers of coated yarns 13 juxtaposed, parallel to each other.
  • a foil or foil 16, thin, is disposed on the bottom of the gutter-shaped tool 14.
  • the metal foil is preferably the same as that of the metal part to which the insert is intended. This is for example a titanium alloy.
  • Coated son rest on the lower foil 16. They are stacked on each other for example in layers.
  • the width of the plies, the number of coated threads which constitute the plies, may vary from the base to the upper ply.
  • the beam may have a trapezoidal shape in section.
  • a foil 15 is placed on the top of the stack of plies son coated.
  • the number of threads in the plies is not limiting, it depends on the part to be manufactured, the representation of the figures is merely indicative, the diameter of the threads is not at the same scale as that of the gutter.
  • the coated yarns are juxtaposed in the webs without fluttering or with a minimum of floating between the yarns. At this stage the coated wires have not undergone any transverse stress. Instead of layers, the wires can be arranged in sub-assemblies formed of elementary beams that are united in a single beam, 13f.
  • the beam 13f coated son is thus guided through the shaping element 17 where it undergoes a transverse compression.
  • the shaping element here comprises two rollers 17g with horizontal axes. As seen in Figure 3, the rollers are rotatably mounted in a frame 17b. The spacing between the two rollers can be adjusted by vertical displacement of their support. Appropriate motors possibly, not shown, drive them in rotation.
  • the contour of the passage section of the shaping element is completed by two fixed supports, forming slides 171, arranged laterally on either side of the beam.
  • the supports 171 are integral with the frame 17b. According to this example, they are inclined relative to the vertical.
  • the contour of the passage section of the shaping element is thus trapezoidal.
  • the bundle of coated wires takes the form of the shaping element, here trapezoidal. At the output of the shaping element, it is therefore necessary to maintain the beam in the given form. Small foils 18 forming straps are then put in place to hold the assembly, by going around the bundle of coated wires.
  • the beam is thus pulled through the shaping element by means of a traction tool by means of clamps for example.
  • the insert 13i is shown finished in FIG.
  • a plurality of rollers or rollers may be arranged in the shaping element around the beam to give it a polygonal shape.
  • the sides of the polygon can be straight but they can also be curved. Just choose a suitable profile.
  • the shape and the transverse dimensions of the shaping element can be defined by the geometry and the dimensions of the insert that one wishes to use. In this case, the number of coated wires required to form the insert is determined. Conversely, an insert with a determined number of coated wires may be needed. In this case, the passage section of the shaping element is adjusted so that it can contain as output the desired number of coated wires.
  • guide members adjustable in position transversely to allow in the retracted position the establishment of the bundle of coated son before they are tight on the beam.
  • the adjustment of the spacing of the rollers and the metal supports makes it possible to adjust the passage section and the output section of the bundle of coated threads. It may also be advantageous to have vibrating elements promoting the compression of the coated wires in the bundle.
  • FIG. 5 shows another nonlimiting example of embodiment of the shaping element. It is formed of two rollers 17'g of horizontal axes and curved profile cooperating with two rollers 17 ⁇ vertical axes and straight profile.
  • the present method also allows the realization of a plurality of inserts simultaneously, cutting the inserts in the length of the beam thus obtained.
  • the insert once finished is incorporated in a metal container according to the known method and described above to form a metal part.
  • a metal container according to the known method and described above to form a metal part.
  • an elongate piece is provided with grooves rectilinear in which there are two rectilinear inserts per side of the container. For the rest the process is the same.
  • one of the foils is used both as a support and as a lid of the metal container in which the insert is disposed.
  • the lid is welded to the container while realizing the vacuum in the room before the hot isostatic compaction treatment.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de fabrication d'un insert de forme allongée destiné à être intégré par CIC dans un conteneur métallique, comprenant des fils enduits liés entre eux, lesdits fils enduits étant formés de fibres céramiques enduites de métal. Il est caractérisé par le fait qu'il consiste à disposer les fils enduits côte à côte en un faisceau et à entraîner le faisceau de fibres à travers un élément conformateur de manière à le compacter transversalement tout en le mettant en forme avec une section déterminée. L'invention porte également sur la fabrication d'une pièce métallique incorporant un insert fibreux par la technique CIC.

Description

Méthode de fabrication d'un insert de forme allongée en matériau
composite à matrice métallique.
La présente invention concerne le domaine des matériaux composites à matrice métallique et vise plus particulièrement un procédé de fabrication d'un insert formé de fibres céramiques dans une matrice métallique pour renforcer une pièce métallique.
Dans le domaine de l'aéronautique, notamment, un objectif constant est l'optimisation de la résistance des pièces pour une masse et un encombrement minimaux. Certaines pièces peuvent désormais comporter un insert en matériau composite à matrice métallique, désigné par la suite CMM, la pièce pouvant être par ailleurs monolithique. Un tel matériau composite comporte une matrice d'alliage métallique, par exemple d'alliage de titane Ti, au sein de laquelle s'étendent des fibres, par exemple des fibres céramiques de carbure de silicium SiC. De telles fibres présentent une résistance en traction bien supérieure à celle du titane (typiquement, 4000 MPa contre 1000 MPa). Ce sont donc les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage métallique assurant une fonction de liant avec le reste de la pièce, ainsi que de protection et d'isolation des fibres, qui ne doivent pas entrer en contact les unes avec les autres. En outre, les fibres céramiques sont résistantes à l'érosion, mais doivent nécessairement être renforcées par du métal.
Ces matériaux composites peuvent être utilisés dans la fabrication de disques, d'arbres, de corps de vérins, de carters, d'entretoises, comme renforts de pièces monolithiques telles des aubes, etc.
Pour des disques de compresseur dans un turboréacteur par exemple une technique connue de renforcement consiste à insérer dans la pièce un bobinage circulaire de fibres enduites. Une technique de fabrication d'insert CMM repose sur le principe de bobinage de fils enduits décrit dans le brevet EP 1.726.677 déposé au nom de Snecma. L'insert est obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique. Ce type de fil est désigné fil enduit par la suite. La fabrication comprend une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits autour d'une pièce de révolution perpendiculairement à l'axe de la pièce. L'insert est ensuite soumis à une étape de compression isostatique à chaud dans un conteneur. On désigne par conteneur une ébauche de pièce métallique dans laquelle on a usiné une cavité de réception de l'insert en matériau CMM et qui est ensuite soumise à un traitement de compaction isostatique à chaud. Ce traitement est désigné CIC par la suite.
Les pièces décrites ainsi obtenues sont de type circulaire et conviennent particulièrement, outre les disques de compresseur pour la réalisation de pièces circulaires telles que des arbres, des corps de vérins ou des carters. D'autres pièces mécaniques requièrent des propriétés différentes de celles présentées par les pièces circulaires. C'est le cas notamment des bielles utilisées par exemple dans les systèmes d'atterrissage ou des pièces de structure telles que des suspensions de moteurs, de forme essentiellement oblongue. La fonction de ces pièces est de transmettre un effort de traction et/ou de compression unidirectionnel. Le renforcement de ces pièces nécessite alors des inserts en CMM de forme rectiligne ou sensiblement rectiligne, au moins en partie. En effet les fibres doivent être orientées suivant la direction des efforts.
La fabrication de ces inserts de manière industrielle et au moindre coût est délicate. On connaît un procédé de fabrication d'une pièce mécanique comportant au moins un insert en matériau CMM. Le procédé comprend la fabrication d'une ébauche d'insert par bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits autour d'un support annulaire dont une partie comprend une portion rectiligne ou sensiblement rectiligne.
Le procédé décrit dans le brevet FR 2.919.284 aux noms de Snecma et Messier-Dowty, développe ce principe et comprend ensuite l'insertion de l'ébauche d'insert ci-dessus dans un premier conteneur métallique, la compaction isostatique à chaud du premier conteneur, suivie de l'usinage de celui-ci pour former un élément d'insert. Après la fabrication de cet élément d'insert, le procédé de fabrication d'une pièce mécanique comprend les étapes suivantes : insertion de l'élément d'insert dans un second conteneur, compaction isostatique à chaud du second conteneur et usinage du second conteneur pour former la pièce mécanique souhaitée. La pièce mécanique ainsi obtenue, par exemple une bielle, permet avantageusement de transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels dans le sens des fibres céramiques qui y ont été intégrées.
Au lieu de passer par l'étape intermédiaire de compaction de l'ébauche d'insert suivie de sa découpe en éléments d'insert rectilignes, on pourrait envisager de découper la bobine annulaire formant l'ébauche en assurant le maintien des fils enduits en faisceau. La demande de brevet FR 2.925.896 enseigne d'incorporer ce type de faisceau dans une rainure rectiligne débouchant à ses extrémités.
Cette solution présente plusieurs inconvénients qui impactent l'industrialisation de ces opérations :
On perd les fils enduits au niveau des parties non droites. Cette perte n'est pas négligeable car le demi-produit fil enduit représente un coût important dans le coût total de la pièce. Le bobinage, notamment sur des formes ovales, induit des contraintes dans l'insert bobiné qui risquent de se relâcher se traduisant par une déformation de l'insert lors de la découpe.
Ces techniques nécessitent de multiplier les systèmes de maintien des fils enduits au droit des zones de découpe.
Par ailleurs, une technique fondée sur l'enroulement par bobinage d'une nappe de fils enduits préalablement assemblés vise essentiellement la réalisation d'inserts de section transversale, perpendiculaire aux fibres, carrée ou rectangulaire.
Pour certaines applications, il serait souhaitable d'avoir un insert de section différente du carré ou du rectangle afin d'améliorer la reprise d'efforts entre l'insert composite et le reste de la structure de la pièce. En effet, des renforts de section par exemple trapézoïdale ou elliptique permettraient d'éviter ou au moins de limiter les sauts de raideur et ainsi d'améliorer la tenue mécanique des zones de transition.
Par exemple, pour des pièces allongées telles que des pièces de train d'atterrissage ou des bielles de suspension de moteur comportant des attaches latérales entre leurs extrémités, un renfort dont le nombre de fibres est plus faible le long du bord de la pièce solidaire de l'attache permet une meilleure transition des efforts au niveau de cette dernière. L'objectif de la présente invention est la mise au point d'une technique de réalisation d'inserts à coût réduit et facilement industrialisable.
L'invention a également pour objectif une technique de fabrication qui permet la réalisation d'inserts dits de forme c'est-à-dire dont la section transversale peut être différente de la forme carrée ou rectangulaire.
On parvient à cet objectif avec un procédé de fabrication d'un insert de forme allongée, destiné à être intégré par CIC dans un conteneur métallique, comprenant des fils enduits liés entre eux, lesdits fils enduits étant formés de fibres céramiques enduites de métal, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape consistant à disposer les fils enduits côte à côte en un faisceau comprenant une pluralité de couches de fils enduits, à entraîner le faisceau de fils enduits à travers un élément conformateur de manière à le rendre compact transversalement tout en le mettant en forme avec une section transversale déterminée par l'élément conformateur et à placer des sangles enserrant transversalement le faisceau, en aval de l'élément conformateur..
De préférence, on forme le faisceau à partir de fils enduits que l'on déroule depuis des bobines de fils. Le faisceau de fils avant son passage au travers de l'élément conformateur présente des espaces interstitiels résultant de la section circulaire des fils enduits. L'élément conformateur est dimensionné de manière à réduire le foisonnement des fils et les espaces interstitiels tout en donnant au faisceau la forme souhaitée. On résout ainsi simplement le problème d'industrialisation et mise en forme du faisceau de fils. La section de passage de l'élément conformateur est choisie librement en fonction de la forme, dans le plan transversal, souhaitée de l'insert. Selon un mode de réalisation, l'élément conformateur comprend au moins deux galets rotatifs, les axes des deux galets étant orientés perpendiculairement à la direction d'avancement des fils enduits. Pour compléter le contour, l'élément conformateur comprend notamment des supports latéraux fixes entre les galets. L'élément conformateur peut aussi comprendre une pluralité de galets constituant le contour de la section de passage. La fonction des galets est de réduire les frottements sur le faisceau de fils enduits en accompagnant son déplacement. Des éléments fixes conviennent aussi dans la mesure où le frottement des fibres est réduit. On peut ainsi former un élément conformateur dont la section de passage est polygonale avec des côtés rectilignes ou courbes ou encore de section ovale ou circulaire.
Afin de faciliter le guidage des fibres à l'élément conformateur et ultérieurement leur maintien ensemble dans le faisceau, une feuille métallique, désignée clinquant aussi, est avantageusement interposée entre les fils enduits du faisceau et au moins une partie des côtés de l'élément conformateur. On assure le maintien de l'assemblage des fils enduits par des anneaux ou bagues placés le long de l'insert en aval de son passage à travers de l'élément conformateur. Les bagues sont formées par exemple d'une feuille métallique, formant une sangle avec laquelle on entoure le faisceau de manière serrée et dont on soude les extrémités après les avoir repliées l'une sur l'autre.
On tronçonne ensuite le faisceau de fils enduits à la longueur souhaitée correspondant à la longueur de l'insert à placer dans le conteneur métallique. Pour éviter le foisonnement des fils enduits en extrémités de l'insert, rendant difficile la manipulation de celui-ci et sa mise en place dans le conteneur, il est judicieux de scier le faisceau à travers une bague de serrage car les portions de bague obtenues sont placées en extrémité et assurent le serrage du faisceau. Selon une mise en œuvre du procédé, les fils enduits avant leur regroupement en faisceau sont guidées dans leur déplacement vers l'élément conformateur de manière à former des sous ensembles ou faisceaux élémentaires. Il peut s'agir de nappes que l'on superpose les unes sur les autres pour former ledit faisceau. On forme un faisceau élémentaire en déroulant simultanément les fils enduits du sous ensemble depuis des bobines séparées. Par exemple on peut former ainsi un empilement de nappes de fils enduits rectilignes obtenues en juxtaposant à plat un nombre déterminé de fils enduits, jusqu'à obtenir un nombre de nappes déterminé. Plus particulièrement, on dépose une première nappe sur une surface d'appui, notamment comprenant une feuille métallique, et on recouvre la dernière nappe à travers de l'élément conformateur. Au lieu de nappes, les faisceaux élémentaires peuvent avoir toute forme de section transversale. Selon une autre mise en œuvre, on regroupe les fils enduits en faisceaux élémentaires dans une pluralité de guides, goulottes ou tubes qui sont disposés de manière à converger vers la section de passage de l'élément conformateur. Le procédé de l'invention est une étape d'un procédé de fabrication d'une pièce métallique comprenant l'incorporation de l'insert ainsi réalisé dans un conteneur métallique et la compaction isostatique à chaud de l'ensemble, comme cela est décrit par exemple dans la demande de brevet FR2933422 ou la demande FR2933423 au nom de Messier Dowty.
.
Selon ce type de procédé,
- au moins un logement pour un insert est usiné dans un corps métallique formant le conteneur,
- ledit insert est disposé dans le logement,
- un couvercle métallique est placé sur le corps de façon à recouvrir l'insert,
- le couvercle est soudé sur le corps métallique,
- l'ensemble du corps métallique avec couvercle est soudé par compression isostatique à chaud et
- on usine ledit ensemble traité pour obtenir ladite pièce.
La solution de l'invention permet l'incorporation de l'insert dans un conteneur, immédiatement en aval de l'élément conformateur. Par exemple, le conteneur peut comprendre un logement longitudinal traversant dans lequel on vient glisser le faisceau de fils enduits. Dans ce cas il est possible de se passer des bagues de maintien ou même des clinquants longitudinaux.
L'invention porte également sur une pièce de forme allongée comprenant au moins un renfort fibreux dans le sens longitudinal, obtenue selon le procédé précédent dont la section transversale du renfort a une forme non rectangulaire ou carrée, telle que trapézoïdale ou ovale.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts détails caractéristiques et avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins
La figure 1 montre les différentes étapes 1 a, à 1 d de fabrication d'une pièce de forme allongée selon l'art antérieur ;
La figure 2 représente une vue de côté d'une installation de fabrication d'un insert rectiligne conforme à l'invention ;
La figure 3 montre l'installation de la figure 2, vue de face ;
La figure 4 montre un insert fabriqué conformément à l'invention ;
La figure 5 montre une variante de filière de forme.
Sur la figure 1 a, extraite de la demande de brevet FR 2.919.284 aux noms de Snecma et de Messier-Dowty, on voit un conteneur 1 avec un corps principal 4 de forme allongée, destiné à former une bielle d'un train d'atterrissage par exemple. On a usiné une rainure 41 sur chacune des deux faces du corps 4. Cette rainure permet le logement d'un insert 3 qui comprend deux portions rectilignes parallèles ou non entre elles réunies aux extrémités par une portion en arc de cercle. Les inserts sont du type à fibres céramiques enduites de métal tel que le titane.
Les rainures et les inserts sont de formes complémentaires de manière à ce que l'insert soit ajusté sans jeu dans la rainure. On note que la rainure dans le conteneur et le tenon sur le couvercle doivent parfaitement s'assembler pour éviter que les fibres, qui ont un très faible diamètre, de l'ordre de 0,25 mm, ne puissent s'échapper lors de la compaction isostatique à chaud. Deux couvercles 5 sont pourvus d'une partie en saillie formant tenon 51 et viennent recouvrir les faces du corps 4. Le tenon vient en appui sur l'insert logé dans la rainure et colmate cette dernière. On soude, par exemple par faisceau d'électron, le couvercle 5 au corps 4 en assurant le vide à l'intérieur du conteneur.
Le conteneur est visible sur la figure 1 b ; il est en partie arraché pour montrer les inserts. Le conteneur est ensuite disposé dans une enceinte appropriée pour y subir un traitement de compaction isostatique à chaud. Ce traitement a pour but de rendre le conteneur, son couvercle et les nappes de fils enduits solidaires entre eux et former une pièce monolithique. La coupe transversale du conteneur de la figure 1 c montre que les bords 42 de la rainure 41 sont chanfreinés de manière à ménager un jeu avec la partie du couvercle 5 adjacente au tenon 51. Lors de l'opération de compaction isostatique à chaud, la pression est exercée selon la direction perpendiculaire à la surface du couvercle générant l'affaissement des couvercles.
La chaleur et la pression, respectivement de l'ordre de 1000°C et 1000 bars permettent au métal de la matrice de combler les vides entre les fils enduits constituant l'insert. Le volume de l'insert diminue d'environ 23%. Le tenon est ainsi déplacé en direction du fond de la rainure et le jeu de part et d'autre du tenon est absorbé. À la fin du processus, les parties métalliques se sont soudées par diffusion et l'insert de fils enduits s'est compacté; la pièce est ainsi renforcée par les fils enduits emprisonnés dans la masse.
La figure 1 d représente l'ébauche de pièce obtenue avec deux inserts visibles en transparence. L'ébauche est ensuite usinée de manière à obtenir la pièce souhaitée. Les fibres céramiques sont ainsi incorporées dans les zones de la pièce qui assurent la transmission des efforts en traction et compression.
Les inserts utilisés selon l'enseignement de ce brevet FR 2 919 283 sont de forme annulaire mais comme cela l'a été décrit dans la demande de brevet FR 2 919 284, ils peuvent être formés d'éléments allongés en barreaux. Dans ce dernier cas les inserts sont incorporés, selon la technique exposée dans ce document, dans le conteneur après avoir été auparavant compactés.
La réalisation des inserts rectilignes selon FR 2 919 284 comprend l'enroulement des fils enduits autour d'un dispositif de bobinage de forme annulaire avec des portions rectilignes. La forme peut être oblongue, avec des portions rectilignes, ou bien polygonale dont les côtés du polygone constituent les portions rectilignes.
Après formation de l'enroulement du ou des fils enduits en un anneau, les spires de l'anneau sont immobilisées entre elles au moyen de sangles métalliques soudées. L'ensemble est incorporé dans un conteneur et subit un traitement de compaction isostatique à chaud selon la technique décrite ci- dessus. A partir de la pièce semi finie on usine des inserts compacts de forme allongée que l'on incorpore individuellement dans des conteneurs pour la fabrication de pièces avec des renforts en fibres céramiques.
Conformément à l'invention, on simplifie la réalisation des inserts en formant des inserts de forme allongée constitués directement de fils enduits 13 assemblés à la manière de fagots ou de faisceaux.
En se reportant à la figure 2, un exemple d'installation permettant la mise en œuvre du procédé de l'invention comprend un dévidoir 10 supportant une pluralité de rangées de bobines 12 sur lesquelles sont enroulés les fils enduits 13. Les fils enduits sont entraînés depuis leurs bobines respectives dans un système de glissières à goulotte 14 vers lequel ils convergent. Le système rassemble les fils enduits en un faisceau. A ce stade le faisceau est relativement foisonnant. Les fils enduits sont disposés de manière avantageuse en une pluralité de sous ensembles ou couches de fils enduits 13 juxtaposés, parallèles entre eux.
Un clinquant ou feuille métallique 16, mince, est disposé sur le fond de l'outillage en forme de gouttière 14. Le métal du clinquant est de préférence le même que celui de la pièce métallique à laquelle l'insert est destiné. Il s'agit par exemple d'un alliage de titane.
Les fils enduits reposent sur le clinquant inférieur 16. Ils sont empilés les uns sur les autres par exemple en nappes. La largeur des nappes, le nombre de fils enduits qui constituent les nappes, peut varier depuis la base jusqu'à la nappe supérieure. Par exemple, le faisceau peut avoir une forme trapézoïdale en section. Un clinquant 15 est placé sur le sommet de l'empilement des nappes de fils enduits.
Le nombre de fils dans les nappes n'est pas limitatif, il dépend de la pièce à fabriquer, la représentation des figures est simplement indicative, le diamètre des fils n'est pas à la même échelle que celle de la gouttière. Les fils enduits sont juxtaposés dans les nappes sans flottement ou avec un minimum de flottement entre les fils. A ce stade les fils enduits n'ont subi aucune contrainte transversale. Au lieu de nappes on peut disposer les fils en sous ensembles formés de faisceaux élémentaires que l'on réunit en un faisceau unique, 13f.
Le faisceau 13f de fils enduits est ainsi guidé à travers l'élément conformateur 17 où il subit une compression transversale. L'élément conformateur comprend ici deux galets 17g à axes horizontaux. Comme on le voit sur la figure 3, les galets sont montés à rotation dans un bâti 17b. L'écartement entre les deux galets peut être ajusté par déplacement vertical de leur support. Des moteurs appropriés éventuellement, non représentés, les entraînent en rotation. Le contour de la section de passage de l'élément conformateur est complété par deux supports fixes, formant des glissières 171, disposés latéralement de part et d'autre du faisceau. Les supports 171 sont solidaires du bâti 17b. Selon cet exemple, ils sont inclinés par rapport à la verticale. Le contour de la section de passage de l'élément conformateur est ainsi trapézoïdal.
En passant au travers de l'élément conformateur, le faisceau de fils enduits prend la forme de l'élément conformateur, ici trapézoïdal. En sortie de l'élément conformateur, il est donc nécessaire d'assurer le maintien du faisceau dans la forme donnée. Des petits clinquants 18 formant des sangles sont ensuite mis en place pour maintenir l'ensemble, en faisant le tour du faisceau de fils enduits.
Le faisceau est ainsi tiré à travers l'élément conformateur au moyen d'un outil de traction par l'intermédiaire de pinces par exemple.
L'insert 13i est représenté fini à la figure 4.
On comprend que le présent procédé n'est pas limité à la réalisation d'inserts de section carrée, rectangulaire ou trapézoïdale. De nombreuses formes sont à la portée de l'homme du métier. On peut disposer dans l'élément conformateur une pluralité de rouleaux ou galets autour du faisceau pour lui donner une forme polygonale. Les côtés du polygone peuvent être droits mais ils peuvent aussi être courbes. Il suffit de choisir un profil convenable.
La forme et les dimensions transversales de l'élément conformateur peuvent être définies par la géométrie et les dimensions de l'insert que l'on souhaite utiliser. Dans ce cas on détermine le nombre de fils enduits nécessaire pour former l'insert. Inversement on peut avoir besoin d'un insert avec un nombre déterminé de fils enduits. Dans ce cas, on ajuste la section de passage de l'élément conformateur de manière à ce qu'il puisse contenir en sortie le nombre souhaité de fils enduits.
Il est avantageux de disposer d'éléments de guidage réglables en position transversalement pour permettre en position rétractée la mise en place du faisceau de fils enduits avant qu'ils ne soient serrés sur le faisceau. Le réglage de l'écartement des galets et des supporte métalliques permet d'ajuster la section de passage et celle de sortie du faisceau de fils enduits. II peut être également avantageux de disposer des éléments vibrants favorisant le tassement des fils enduits dans le faisceau.
La figure 5 montre un autre exemple non limitatif de réalisation de l'élément conformateur. Elle est formée de deux galets 17'g d'axes horizontaux et de profil courbe coopérant avec deux galets 17Ί d'axes vertical et de profil droit.
Le présent procédé permet également la réalisation d'une pluralité d'inserts simultanément, on découpe les inserts dans la longueur du faisceau ainsi obtenu.
L'insert une fois terminé ; tel que celui représenté à la figure 4, est incorporé à un conteneur métallique selon le procédé connu et décrit ci dessus pour former une pièce métallique. Comparativement au mode de réalisation de l'art antérieur illustré par la figure 1 , d'une pièce allongée, on réalise des rainures rectilignes dans lesquelles on dispose deux inserts rectilignes par face du conteneur. Pour le reste le procédé est le même.
Conformément à un mode de réalisation particulier de la pièce métallique, l'un des clinquants est utilisé à la fois comme support et comme couvercle du conteneur métallique dans lequel l'insert est disposé. Le couvercle est soudé sur le conteneur tout en réalisant le vide dans la pièce avant le traitement de compaction isostatique à chaud.

Claims

Revendications
Procédé de fabrication d'un insert de forme allongée destiné à être intégré par CIC dans un conteneur métallique, comprenant des fils enduits liés entre eux, lesdits fils enduits étant formés de fibres céramiques enduites de métal, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape consistant à disposer les fils enduits (13) côte à côte en un faisceau (13f) composé d'une pluralité de couches de fils enduits, à entraîner le faisceau de fils enduits à travers un élément conformateur (17) de manière à le compacter transversalement tout en le mettant en forme avec une section déterminée par l'élément conformateur, et à placer des sangles (18) enserrant transversalement le faisceau, en aval de l'élément conformateur.
Procédé selon la revendication précédente, l'élément conformateur (17) comprenant au moins deux galets rotatifs (17g) entre lesquels le faisceau est guidé.
Procédé selon la revendication précédente, les deux galets étant à axes parallèles.
Procédé selon la revendication précédente, l'élément conformateur comprenant deux supports latéraux (171) entre les galets (17g).
Procédé selon l'une des revendications précédentes la section de passage de l'élément conformateur (17) étant polygonale avec des côtés rectilignes ou courbes.
Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, la section de passage de l'élément conformateur étant ovale ou circulaire.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, une feuille métallique (15, 16) étant interposée entre les fils enduits du faisceau et au moins une partie des côtés de l'élément conformateur.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, les fils enduits avant leur regroupement en faisceau étant disposés en faisceaux élémentaires que l'on assemble les uns aux autres pour former ledit faisceau.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, les sangles (18) étant placées le long de l'insert en aval de l'élément conformateur.
10. Procédé de fabrication d'une pièce métallique comprenant l'incorporation de l'insert formé selon l'une des revendications précédentes dans un conteneur métallique et la compaction isostatique à chaud de l'ensemble.
1 1. Pièce de forme allongées comprenant au moins un renfort fibreux dans le sens longitudinal, obtenue selon le procédé de la revendication précédente dont la section transversale du renfort a une forme non rectangulaire, telle que trapézoïdale ou ovale.
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