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EP0657554B1 - Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres - Google Patents

Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres Download PDF

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Publication number
EP0657554B1
EP0657554B1 EP94402806A EP94402806A EP0657554B1 EP 0657554 B1 EP0657554 B1 EP 0657554B1 EP 94402806 A EP94402806 A EP 94402806A EP 94402806 A EP94402806 A EP 94402806A EP 0657554 B1 EP0657554 B1 EP 0657554B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fibre
preforms
accordance
metal
obtaining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94402806A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0657554A1 (fr
Inventor
Jean-Claude Berthelemy
Daniel Georges Girault
Gilles Jean-Michel Bessenay
Ludovic Edmond Camille Molliex
Gérard Philippe Gauthier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA filed Critical Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Publication of EP0657554A1 publication Critical patent/EP0657554A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0657554B1 publication Critical patent/EP0657554B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/17—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by forging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21F—WORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F17/00—Jacketing or reinforcing articles with wire
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/36—Making machine elements wheels; discs with blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/76—Making machine elements elements not mentioned in one of the preceding groups
    • B21K1/761—Making machine elements elements not mentioned in one of the preceding groups rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
    • C22C47/062—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element from wires or filaments only
    • C22C47/064—Winding wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
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    • C22C47/062—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element from wires or filaments only
    • C22C47/068—Aligning wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/20—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by subjecting to pressure and heat an assembly comprising at least one metal layer or sheet and one layer of fibres or filaments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/10—Geometry two-dimensional
    • F05B2250/14—Geometry two-dimensional elliptical
    • F05B2250/141—Geometry two-dimensional elliptical circular
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S72/00—Metal deforming
    • Y10S72/70—Deforming specified alloys or uncommon metal or bimetallic work

Definitions

  • the invention relates to a method comprising a forging. insulated and used to obtain circular parts internally reinforced with fibers on a or several selected parts of their section.
  • the invention also relates to obtaining reinforcing fiber preforms implemented in this process. These circular pieces as well obtained are used in particular as sketches for the realization of rotors with high resistance / mass ratio such turbomachine rotors used in aeronautics.
  • the turbomachine rotors have a general shape of revolution around an axis of rotation and they involve their periphery or laterally a plurality of blades making compressor or turbine office. These rotors rotate generally at high speed and are subject to significant requests coming mainly from the centrifugal force, but also machine vibrations and accidental ingestion of foreign bodies.
  • this patent proposes also to compress and weld the reinforcement article directly in the part to to reinforce.
  • the preforms are each consisting of a single fiber wound in a flat spiral. This process allows remarkable regularity the radius of curvature of the fiber, for better ring resistance.
  • Fiber can be held in position before pressing by bands or radiating wires passing alternately below and above the fibers to be maintained, in the manner threads of a fabric.
  • This delicate solution to implement work also has the disadvantage of waving the fibers and thereby reduce their ability to withstand a tensile force.
  • patent EP 0 490 629 proposes to engrave a spiral groove in strip in matrix material, depositing the fiber in the groove and to keep this fiber in position by spraying a binder organic or by plasma projection of metal from the matrix, this which constitutes a preform containing both fiber and of the matrix metal.
  • This solution no longer presents as previously the disadvantage of waving the fibers, but it is costly and difficult to implement, because the grooves into which the fiber is to be introduced have that a very small width, ring is then made by hot compression, with temperature and pressure sufficient for the metal to penetrate between the fibers and get soda around them. If an organic binder is used it is destroyed by pyrolysis during the temperature rise, this binder being chosen to leave a minimum of residue carbonaceous after pyrolysis.
  • the rings can also be hooped on the rotors. This solution ensures excellent cohesion between the ring and the rotor, but has the disadvantage of putting the ring in tensile preload, which reduces its ability to hold the rotor.
  • the rotor geometry must be arranged to receive the ring.
  • the reinforcement rings can also be slid over the periphery of the rotors or inserted into machined grooves in these rotors, then brazed or welded by a means any rotor.
  • This solution ensures excellent cohesion of the reinforcement ring with the rest of the rotor, but has the disadvantage of imposing two cycles on the fibers thermal, which increases their degradation.
  • the silicon carbide SiC often used to make reinforcing fibers can react at high temperatures with the matrix metal. To reduce this phenomenon, fibers can be covered with a layer of carbon, but this diffuse layer itself in the metal of the matrix and in changes the metallurgical structure. The reaction of matter fiber with the matrix is therefore only delayed.
  • the grooves are closed by a cover coming into contact with the preforms and protruding from these grooves. Isothermal forging being carried out in the axial direction, this cover makes it possible to start forging isothermal by compression of the preforms.
  • This cover will preferably in a material having a temperature of isothermal forging close to or slightly higher than that of the material of the part, said material also being weldable to said material of the part.
  • Isothermal forging in an axial direction is combined with isothermal radial forging in order to obtain a practically isostatic compression, that is to say homogeneous in all directions, said isostatic compression improving the homogeneity of the welding of the fibrous area with the rest of the part.
  • Forging radial is obtained by centrifugal pressure from inside the room.
  • the preforms comprise both fiber and filler metal, this filler metal having an isothermal forging temperature close to or slightly lower than that of the metal of the part and being weldable with the metal of the part.
  • This spaces left between preforms and the walls of the grooves will advantageously filled with powdered filler metal.
  • the preforms will advantageously be a stack of slices of fibers wound in single-layer spirals and matrix metal strips.
  • the forging die isotherm is annular with an L-shaped section of which the opening faces outward.
  • This matrix is surrounded by a belt made of a material with low coefficient of thermal expansion and an expansion mandrel is arranged in its central part.
  • An annular piston enters between the vertical wall of the L-shaped matrix and the belt, to allow the forging of the part.
  • the hardening of the coating is just enough to avoid its crushing during winding. So the turns joined against each other during winding under the effect of fiber tension, which ensures cohesion of the preform after it leaves the winding mandrel.
  • Fiber preforms can be economically produced using a device including a coil fiber feed, a binder solution tank, a device for drying the coated fiber such as a heated tube by an electrical resistance, as well as a mandrel comprising two flat and parallel flanges with equal hearing or slightly greater than the diameter of the coated fiber.
  • This process which is the subject of the present invention should not not be confused with the processes of obtaining rings of reinforcement such as that described in the patent FR 2 607 071 already cited.
  • This process which is the subject of the invention consists of including fibrous structures of reinforcement in rooms while reserving material to perform the functions of the part, and to compress then these fibrous structures inside the room during the forging of said part.
  • the process object of the present invention thus has the advantage of realizing in a single thermal cycle the compression of the preforms and the intimate bond, similar to welding, of the reinforced zone by the fibers with the rest of the material of the piece as well than isothermal and practically isostatic forging of this part.
  • the elimination of a thermal cycle protects the reinforcing fibers and allows more economical production of parts.
  • the process also offers great latitude in the choice of areas to be strengthened. We can indeed have these areas different parts of the room section, such as the center, periphery or flanks. We will distribute the material of the part according to the functions to be performed. For example, in the case of a turbomachine rotor with axial circulation of the fluid, we will provide material at the periphery to the machining of the blades and on the flanks for the machining of flanges for connection to the other stages of the machine, and also for example for machining sealing labyrinths or grooves for fixing balancing weights.
  • the process is also economical because it avoids a cycle thermal as well as the precise machining of the reinforcement ring and housing intended to receive it on the part.
  • the making the preforms is also particularly simple.
  • the blank 3 is placed on its side 5 in a machine 31 itself arranged on the lower plate 32 of a press hydraulic.
  • a piston 33 enters the matrix and transmits on the surface 18 of the plug 14 the pressure 34 exerted parallel to axis 2 by the upper plate of the press not shown in Figure 1.
  • the bottom 15 of the plug 14 presses under the effect of the pressure 34 the preforms 12, causing creep and agglomeration of the filler metal between the fibers.
  • the total height of the preforms 12 decreases and the plug 14 enters the groove until the surface 20 of the protrusion 19 comes into contact with the flank 4 of the blank 3.
  • the pressure 34 is exerted axially over the entire material of ring 1 which gradually takes shape imposed by the die 31 and the piston 33. In practice, the deformation of cover 14 begins before compression complete preforms 12.
  • the metal of the blank 3 Under the effect of the pressure 34, the metal of the blank 3, the filler metal powder introduced into spaces 13 and the filler metal preforms 12 finish filling completely the space between the fibers, come into contact mutual and weld together, thus achieving the compression of fibers and metal during forging isotherm of the ring.
  • a filler metal having near or slightly insulated forging temperatures lower than that of the blank metal, so that the solder and filler metal have more plasticity important which facilitates the penetration of metal between the fibers.
  • This filler metal must obviously be weldable with that of the room.
  • the metals of the part, preforms and powder may be the same, but it is not a necessity.
  • the metal of the plug 14 will preferably have a temperature of isothermal forging close to or above the temperature of forging the metal of the blank 3 and the filler metal of the preforms 12, so that it is a little less plastic than them to improve the pressing of the preforms 12 at the bottom of the groove 8, and in particular to start the compression of the preforms 12 before isothermal forging proper of ring 1.
  • the rough metals 3 and plug 14, as well as the filler metal of the preforms 12 and powder are identical, which improves the homogeneity and the resistance of the ring 1.
  • a radial pressure 36 combined with the pressure axial 34, in order to generate inside the room a isostatic pressure, i.e. uniform in all directions.
  • This isostatic pressure improves the welding of the metal of the blank 3 and of the plug 14 around the preforms 12 and reduces the amount of filler metal powder to be introduced into spaces 13, which improves the homogeneity of the ring 1.
  • the piston 33 is supported on the plug 14 by its surface 37.
  • This surface 37 has an extra thickness 38 having the same shape as depression 23 but the height of the allowance 38 is less than the depth of the depression 23.
  • This displacement of material gives the grains of metal an elongated shape called fiberizing which increases its resistance.
  • the isothermal forging device of the ring 1 includes a matrix 31 placed on the lower plate 32 a press, a piston 33 on which the upper plate not shown of the press exerts an axial pressure 34, said piston 33 entering said matrix 31, and means 35 exerting a centrifugal pressure 36 on the matrix 31.
  • the die 31 has a annular shape around axis 2 with an L-shaped section of which the opening faces upwards and outwards.
  • the horizontal branch 41 of the L is at the bottom and forms by its upper surface the bottom 42 of the matrix 31.
  • the vertical branch 43 of the L is turned towards the axis geometric 2 and constitutes the vertical wall 44 of the matrix 31.
  • the matrix 31 is delimited radially towards axis 2 by a concave cylindrical surface 45 centered on axis 2.
  • the means 35 for exerting centrifugal pressure 36 will advantageously be a radially expandable mandrel made of a material with a high coefficient of expansion thermal, the expansion being obtained by heating said mandrel 35.
  • the mandrel 35 is delimited radially towards outside by a cylindrical surface 46 and fits inside the cylindrical surface 45 of the wall vertical 44 with reduced clearance between surfaces 45 and 46.
  • the present device also includes a shaped belt 47 cylindrical centered on axis 2 and resting by one of its sides 48 on the lower plate 32 of the press.
  • the belt 47 has a cylindrical inner wall 49 and concave centered on the axis 2 which surrounds the matrix 31, which is found opposite the vertical wall 44 and which delimits radially outward the space in which is forged the ring 1.
  • the annular piston 33 is also inserted between the wall 44 of the matrix 31 and the wall 49 of the belt.
  • This belt 47 is made of a resistant material and with a low coefficient of thermal expansion by example in carbon fibers. This belt 47 prevents radial expansion of the blank 3 and the plug 14 during the isothermal forging, which improves the efficiency of the centrifugal pressure 36 while maintaining the fibers for prevent their constraint.
  • the rotor is made of TA6V titanium alloy and coated silicon carbide reinforcing fibers SiC of a carbon deposit. Isothermal forging takes place at 950 ° C under a pressure of 600 bars for 50 minutes.
  • Reinforcement fiber 60 is taken from a spool feed 61.
  • the fiber 60 plunges into a tank 62 containing a bath 63 of liquid organic binder, passes around a return pulley 64 immersed in solution 63 and emerges from this solution 63 coated with a certain amount binder solution.
  • the fiber 60 then passes through the drying hub 65, through example a heated tube with an electrical resistance, so to harden the coating of organic binder while it retaining sufficient ability to stick to fibers neighbors.
  • the fiber 66 thus coated then bypasses a pulley of reference 67 and is wound on the mandrel 68 to constitute the 12A fiber preform.
  • the thickness of the coating is determined by the viscosity and therefore the concentration and temperature of solution 63, while its degree of drying and therefore its hardness are determined by the intensity of the heating in the heating tube 65 and the duration of the passage of the fiber in this tube 65.
  • the mandrel 68 rotates around the geometric axis of rotation 69.
  • This mandrel 68 has two circular flanges 70 arranged on either side of a circular hub 71, thus that a not shown means of positioning and drive in rotation around the axis 69 of said flanges 70 and said hub 71.
  • the two flanges 70 each have a lateral face 72 flat and radial, said faces 72 being opposite one of the other to form an annular groove 73 open on the periphery 74 of the mandrel and delimited internally by the hub 71.
  • the faces 72 are connected to the periphery 74 of the mandrel 68 by a radius 75, so as not to risk tearing coating 76 of fibers 60.
  • the coated fiber 6 is wound in a spiral in the groove 73 to form the 12A fiber preform.
  • the space formed between the turns being equal to twice the thickness of the coating 76 of the fiber 60.
  • the spacing of the faces 72 is equal to or slightly greater than the diameter of the coated fibers 66, and the diameter of the hub 71 is equal to the inside diameter of the fiber preform 12A at achieve.
  • one of the flanges 70 is removable to allow the 12A preform to be removed as well wound, and the hub 71 has the shape of a truncated cone, the small diameter is turned on the side of the removable flange 70, to facilitate the removal of the preform 12A.
  • coating 76 The drying of coating 76 must be sufficient for this coating 76 can acquire a hardness allowing it to not not deform significantly during winding, but not too much, however. Therefore, the tension of the fiber 66 during winding on the mandrel 68 causes sticking adjacent turns of coated fiber 66 along the line of contact 77 between these turns. This bonding ensures the cohesion of the preform during its withdrawal from the mandrel, during its transport, and during its introduction into the groove annular 8 of the blank 3 of the rotor.
  • the faces 72 and the periphery of the hub 71 are made of a material hard and non-adhesive such as Teflon.
  • the concentration and the temperature of the organic binder bath 63, the heating of the coated fiber 66 and the tension of said coated fiber 66 can be determined by current experiments for those skilled in the art.
  • the binder bath 63 is a polymethyl methacrylate solution of general chemical formula (CH 2 C (CH 3 ) (CO 2 CH 3 ) -) n (commonly called PMMA) in acetone .
  • PMMA is pyrolyzable between 400 ° C and 600 ° C.
  • one step from one hour to 2 hours approximately is carried out around 500 ° to pyrolyze the binder and eliminate the gases resulting from this pyrolysis.
  • Stacking of 12A fiber preforms and washers 12B filler metal is quite compact. Therefore, and in order to facilitate the evacuation of gases produced by the pyrolysis of binder, we prefer to perforate the metal washers 12B input separating the 12A fiber preforms. In order not modify the respective proportions of fiber and metal, and also so as not to risk bringing the fibers into contact of two neighboring preforms 12A through the perforations of the washers 12B, these perforations will preferably be performed without removing material, for example using with a metal tip or a blade.

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Description

L'invention concerne un procédé comportant un forgeage isotherme et permettant d'obtenir des pièces circulaires métalliques renforcées intérieurement par des fibres sur une ou plusieurs parties choisies de leur section. L'invention concerne aussi l'obtention des préformes de fibres de renfort mises en oeuvre dans ce procédé. Ces pièces circulaires ainsi obtenues sont notamment utilisées comme ébauches pour la réalisation de rotors à haut rapport résistance/masse tels les rotors de turbomachine utilisés en aéronautique.
Les rotors de turbomachines ont une forme générale de révolution autour d'un axe de rotaion et ils comportent à leur périphérie ou latéralement une pluralité d'aubes faisant office de compresseur ou de turbine. Ces rotors tournent généralement à une vitesse élevée et sont soumis à des sollicitations importantes provenant principalement de la force centrifuge, mais aussi des vibrations de la machine et de l'ingestion accidentelle de corps étranger.
La conception de ces rotors est un compromis entre la performance aérodynamique ou hydrodynamique, la résistance et la masse.
Afin d'améliorer le rapport résistance/masse, on est conduit à renforcer ces rotors par des anneaux ou bandages réalisés dans des matériaux plus résistants et présentant un module d'élasticité appelé aussi module de Young supérieur.
On connait des anneaux de renfort pour rotor ayant une structure fibreuse et plus particulièrement des fibres en carbure de silicium, en carbure de bore ou autre matériau à haute résistance, ces fibres étant noyées dans une matrice métallique. Le brevet FR 2 607 071 en donne un exemple de réalisation. Dans ce brevet, des fibres de carbure de silicium (Sic) sont assemblées en un ruban hélicoïdal ou préforme, entre les spires duquel on intercale un autre ruban réalisé dans le matériau de la matrice. L'ensemble est pressé à haute température, les forces de pression diffusent le matériau de la matrice entre les fibres, ce qui assure la cohésion de l'ensemble.
Dans une seconde forme de mise en oeuvre du procédé, ce brevet propose aussi de compresser et de souder l'article de renfort directement dans la pièce à renforcer.
Dans une autre forme de réalisation, les préformes sont constituées chacune d'une seule fibre enroulée suivant une spirale plane. Ce procédé permet une remarquable régularité du rayon de courbure de la fibre, pour une meilleure résistance de l'anneau.
La fibre peut être maintenue en position avant le pressage par des bandes ou des fils rayonnants passant alternativement en-dessous et en-dessus des fibres à maintenir, à la façon des fils d'un tissu. Cette solution délicate à mettre en oeuvre présente aussi l'inconvénient de faire onduler les fibres et de réduire ainsi leur capacité à résister à un effort de traction.
Pour éviter cet inconvénient, le brevet EP 0 490 629 propose de graver une rainure en spirale dans du feuillard en matériau de la matrice, à déposer la fibre dans la rainure et à maintenir cette fibre en position par projection d'un liant organique ou par projection plasma de métal de la matrice, ce qui constitue une préforme contenant à la fois de la fibre et du métal de la matrice. Cette solution ne présente plus comme précédemment l'inconvénient de faire onduler les fibres, mais elle est coûteuse et délicate à mettre en oeuvre, car les rainures dans lesquelles la fibre doit être introduite n'ont qu'une largeur très faible, anneau est ensuite réalisé par compression à chaud, avec une température et une pression suffisante pour que le métal pénètre entre les fibres et se soude autour d'elles. Si un liant organique est utilisé il est détruit par pyrolyse pendant la montée en température, ce liant étant choisi pour ne laisser qu'un minimum de résidus carbonés après pyrolyse.
Le renforcement de rotors avec de tels anneaux peut se faire par montage mécanique de l'anneau sur le rotor, ce montage présentant inévitablement des jeux. L'anneau ne participe donc à l'effort que lorsque le rotor est suffisamment déformé pour que ces jeux soient comblés.
Les anneaux peuvent aussi être frettés sur les rotors. Cette solution assure une excellente cohésion entre l'anneau et le rotor, mais présente l'inconvénient de mettre l'anneau en précontrainte de traction, ce qui diminue sa capacité à maintenir le rotor. De plus, la géométrie du rotor doit être agencée pour recevoir l'anneau.
Les anneaux de renfort peuvent aussi être glissés sur la périphérie des rotors ou introduits dans des rainures usinées dans ces rotors, puis brasés ou soudés par un moyen quelconque au rotor. Cette solution assure une excellente cohésion de l'anneau de renfort avec le reste du rotor, mais présente l'inconvénient d'imposer aux fibres deux cycles thermiques, ce qui augmente leur dégradation. Par exemple, le carbure de silicium SiC souvent utilisé pour réaliser des fibres de renfort peut réagir à haute température avec le métal de la matrice. Pour réduire ce phénomène, les fibres peuvent être recouvertes d'une couche de carbone, mais cette couche diffuse elle-même dans le métal de la matrice et en modifie la structure métallurgique. La réaction de la matière de la fibre avec la matrice n'est en conséquence que retardée.
On connait également par le brevet FR.2.366.904 un procédé de fabrication de tubes en matériaux composites à matrice métallique et charge réfractaire comportant essentiellement les opérations suivantes:
  • mise en place des constituants de la matrice et de la charge sur un noyau comportant une cavité,
  • introduction de l'ensemble dans un moule,
  • chauffage du moule et "compactage" de la pièce par l'introduction d'un fluide sous pression dans la cavité du noyau en vue de son expansion uniforme.
Un tel procédé présente cependant l'inconvénient de ne pas être utilisable avec des anneaux composites radialement épais, car il y aurait alors rupture de la majorité des fibres de renfort. En effet, il est connu que le "compactage" de la matière composite métallique s'accompagne d'une réduction de volume de 40% à 70% environ. De ce fait, les fibres qui ne sont pas à la périphérie subiraient, sous l'effet de la compression centrifuge, une élongation qui en provoquerait la rupture.
On connait par ailleurs le procédé évolué de forgeage isotherme qui consiste, dans une enceinte sous vide ou en atmosphère contrôlée, à chauffer la pièce jusqu'à une température à laquelle le métal peut se déformer de manière superplastique, à disposer cette pièce dans une matrice chauffée à la même température et à exercer sur la pièce une pression continue. Ce procédé autorise une structure métallurgique remarquable et très homogène de la pièce. Il permet aussi de réaliser l'ébauche de la pièce en plusieurs parties qui se souderont entre elles pendant le forgeage.
Pour résoudre ce problème, l'invention propose de réaliser des pièces circulaires métalliques renforcées par des fibres selon le procédé suivant :
  • réalisation d'une ébauche de la pièce,
  • réalisation dans l'ébauche d'au moins une rainure annulaire ouverte au moins suivant la direction axiale
  • réalisation de préformes de fibres aux dimensions des rainures,
  • introduction des préformes dans les rainures,
  • pyrolyse du liant organique retenant les fibres,
  • forgeage isotherme de l'ébauche avec les préformes,
ce qui permet de réaliser en un seul cycle thermique la compression des préformes, le soudage des zones fibreuses au reste de la pièce et le formage par forgeage de cette pièce.
Les rainures sont obturées par un couvercle arrivant au contact des préformes et dépassant de ces rainures. Le forgeage isotherme étant effectué dans la direction axiale, ce couvercle permet de démarrer le forgeage isotherme par la compression des préformes. Ce couvercle sera de préférence dans un matériau ayant une température de forgeage isotherme voisine ou un peu supérieure à celle de la matière de la pièce, ledit matériau étant aussi soudable à ladite matière de la pièce.
Le forgeage isotherme suivant une direction axiale est combiné avec un forgeage isotherme radial afin d'obtenir une compression pratiquement isostatique, c'est à dire homogène dans toutes les directions, ladite compression isostatique améliorant l'homogénéïté du soudage de la zone fibreuse avec le reste de la pièce. Le forgeage radial est obtenu par une pression centrifuge exercée par l'intérieur de la pièce.
Dans un mode de réalisation préféré, les préformes comportent à la fois de la fibre et du métal d'apport, ce métal d'apport ayant une température de forgeage isotherme voisine ou un peu inférieure à celle du métal de la pièce et étant soudable avec le métal de la pièce. Les espaces laissés entre les préformes et les parois des rainures seront avantageusement comblés avec du métal d'apport en poudre.
Les préformes seront avantageusement un empilement de rondelles de fibres enroulées en spirales monocouches et de feuillards de métal de matrice.
Dans un mode de réalisation préféré, la matrice de forgeage isotherme est annulaire avec une section en L dont l'ouverture est tournée vers l'extérieur. Cette matrice est entourée d'une ceinture réalisée dans un matériau à faible coefficient de dilatation thermique et un mandrin à expansion est disposé dans sa partie centrale. Un piston annulaire pénètre entre la paroi verticale de la matrice en L et la ceinture, pour permettre le forgeage de la pièce.
Le procédé de réalisation des préformes de fibres comporte notamment les opérations suivantes :
  • enrobage de la fibre par un liant organique,
  • durcissement de l'enrobage,
  • bobinage en spirale à spires jointives de la fibre sur un mandrin, en une seule couche plane et radiale.
Le durcissement de l'enrobage est juste suffisant pour éviter son écrasement pendant le bobinage. Ainsi, les spires jointives se collent entre elles pendant le bobinage sous l'effet de la tension de la fibre, ce qui assure la cohésion de la préforme après sa sortie du mandrin de bobinage.
Les préformes de fibre peuvent être économiquement réalisées à l'aide d'un dispositif comportant notamment une bobine d'alimentation en fibre, une cuve de solution de liant, un dispositif de séchage de la fibre enrobée tel un tube chauffé par une résistance électrique, ainsi qu'un mandrin comportant deux flasques plans et parallèles dont l'écoutement est égal ou légèrement supérieur au diamètre de la fibre enrobée.
Le procédé faisant l'objet de la présente invention ne doit pas être confondu avec les procédés d'obtention d'anneaux de renfort tels que celui qui est décrit dans le brevet FR 2 607 071 déjà cité. Ce procédé objet de l'invention consiste en effet à inclure des structures fibreuses de renforcement dans des pièces tout en réservant de la matière pour assurer les fonctions de la pièce, et à compresser ensuite ces structures fibreuses à l'intérieur de la pièce pendant le forgeage de ladite pièce.
Le brevet FR 2 607 071 se limite au contraire à l'obtention de pièce entièrement fibreuses qui doivent ensuite être rapportées sur les pièces à renforcer.
Par rapport à la réalisation d'anneaux séparés, comme par exemple dans le brevet FR 2 607 071 déjà cité, le procédé objet de la présente invention a ainsi l'avantage de réaliser en un seul cycle thermique la compression des préformes et la liaison intime, semblable au soudage, de la zone renforcée par les fibres avec le reste de la matière de la pièce ainsi que le forgeage isotherme et pratiquement isostatique de cette pièce. La suppression d'un cycle thermique ménage les fibres de renfort et autorise une production plus économique des pièces.
Le procédé offre aussi une grande latitude dans le choix des zones à renforcer. On peut en effet disposer ces zones à différents endroits de la section de la pièce, telles le centre, la périphérie ou les flancs. On répartira la matière de la pièce selon les fonctions à assurer. Par exemple, dans le cas d'un rotor de turbomachine à circulation axiale du fluide, on prévoira de la matière à la périphérie pour l'usinage des aubes et sur les flancs pour l'usinage des brides de raccordement aux autres étages de la machine, et aussi par exemple pour l'usinage de labyrinthes d'étanchéité ou de gorges de fixation de masses d'équilibrages.
Le procédé est aussi économique car il évite un cycle thermique ainsi que l'usinage précis de l'anneau de renfort et du logement destiné à le recevoir sur la pièce. La réalisation des préformes est aussi particulièrement simple.
L'invention sera mieux comprise au vu d'un exemple de mise en oeuvre du procédé pour obtenir un rotor à aubes de turbomachine, donné à titre non limitatif de l'invention, ainsi que des figures annexées.
  • La figure 1 représente une vue en coupe de l'ébauche du rotor et des préformes, le tout disposé dans la matrice de forgeage isotherme.
  • La figure 2 schématise les étapes d'enrobage de la fibre et de bobinage des préformes.
  • La figure 3 représente une coupe partielle du mandrin de bobinage des préformes.
    • On se reportera en premier lieu à la figure 1.
    Le rotor est usiné dans l'anneau 1 qui a une forme générale de révolution autour de l'axe géométrique 2. L'anneau 1 est obtenu par les opérations 1 à 7 ci-dessous, et le rotor usiné à l'opération 8.
  • 1) Réalisation d'une première ébauche 3 en forme d'anneau suivant l'axe géométrique 2. Cette ébauche 3 est délimitée axialement par deux flancs 4 et 5 et radialement par une surface intérieure de révolution 6 et une surface extérieure de révolution 7.
  • 2) Réalisation dans l'un des flancs 4 ou 5, ou dans les deux flancs 4 et 5 de l'ébauche 3 d'au moins une rainure annulaire 8 d'axe 2. Dans une forme de réalisation préférée et plus économique, une seule rainure annulaire 8 est réalisée dans un flanc 4.La rainure 8 comporte une section en U ouverte sur le flanc 4 suivant une direction parallèle à l'axe 2. La rainure 8 comporte un fond 9 circulaire, plan et radial à l'axe 2, ledit fond 9 étant adjacent à une paroi intérieure 10 et une paroi extérieure 11 cylindriques autour de l'axe 2 et se prolongeant jusqu'au flanc 4 pour former l'ouverture de la rainure 8. On comprend que la rainure 8 définit à l'intérieur de l'anneau 1 l'espace annulaire dans lequel seront disposé les fibres de renfort. La rainure 8 permet aussi d'accéder à cet espace pour y déposer les fibres et le métal d'apport.Remarquons que si l'on voulait disposer les fibres à la périphérie de la pièce cette rainure prendrait alors la forme d'un L ouvert radialement et axialement.
  • 3) Réalisation des préformes 12 de fibre et de métal d'apport. Les préformes 12 sont une mise en forme suffisamment rigide de la fibre et du métal d'apport pour que ces deux matériaux puissent être transportés sur le lieu de forgeage et disposés dans les rainures 8. Il est connu de réaliser des préformes 12 contenant à la fois de la fibre et du métal d'apport. Il est aussi connu de réaliser des préformes 2 de deux catégories différentes, soit des préformes 12A contenant la fibre et des préformes 12B distinctes contenant le métal d'apport. Les préformes 12A et 12B ont la forme d'une rondelle plate aux dimensions de la rainure 8.
  • 4) Introduction dans la rainure 8 des préformes 12. Dans le cas où les préformes 12 sont différentes, les préformes 12a de fibre et les préformes 12B de métal d'apport seront introduites alternativement, chaque préforme 12B de métal séparant deux préformes 12A de fibre.
  • 5) Introduction dans les espaces 13 laissés entre les préformes 12 et les parois 10 et 11 de la rainure 8 de poudre de métal d'apport en quantité suffisante pour remplir ces espaces 13. Ceci permettra au moment du passage et du formage isotherme de mieux combler ces espaces 13, et ainsi d'assurer une meilleure continuité entre la matière de l'anneau 1 dans la zone fibreuse et la matière en-dehors de la zone fibreuse.
  • 6) Réalisation et introduction dans la rainure 8 d'un bouchon 14 pour obturer ladite rainure 8. Le bouchon 14 comporte un fond 15 venant par gravité au contact des préformes 12. Dans une forme de réalisation préférée, le bouchon 14 émerge de la rainure 8 afin de démarrer l'opération de forgeage isotherme de l'anneau par une phase de compression des préformes 12 de fibre et de métal d'apport. Le bouchon 14 a la forme d'un anneau d'axe 2 avec un fond 15 circulaire, plan et radial à l'axe 2.Le fond 15 est adjacent à une paroi cylindrique intérieure 16 dont le diamètre est un peu supérieur à celui de la paroi 10 de la rainure 8, et aussi adjacent à une paroi cylindrique extérieure 17 dont le diamètre est un peu inférieur à celui de la paroi 11 de la rainure 8, le bouchon 14 pouvant ainsi pénétrer dans la rainure 8 avec un jeu suffisant. Le bouchon 14 est aussi délimité axialement par une surface 18 opposée au fond 15. La surface 18 peut être circulaire, plane et radiale à l'axe 2, mais on peut aussi lui donner une forme différente selon le profil de l'anneau 1 et la déformation souhaitée du métal pendant le forgeage.Dans une forme de réalisation préférée, la partie du bouchon 14 extérieure à la rainure 8 présente une excroissance 19 prolongeant radialement le bouchon 14. L'excroissance 19 est délimitée axialement par la surface 18 du bouchon 14 opposée au fond 15, et par la surface 20 en regard du flanc 4 de l'ébauche 3 et de forme complémentaire audit flanc 4, et entourant le bouchon 14. L'excroissance 19 est aussi délimitée radialement à l'axe 2 par une surface cylindrique intérieure 21 dans le prolongement de la surface 6 de l'ébauche 3, et par une surface cylindrique extérieure 22 dans le prolongement de la surface 7.Cette surface 18 constituera après forgeage le deuxième flanc de l'anneau 1 et opposé au flanc 5.Lorsque le bouchon 14 est simplement posé sur les préformes 12, le flanc 4 et la surface 20 sont écartés pour permettre la compression des préformes 12.La surface 13 de l'excroissance présente aussi une dépression circulaire 23 s'étendant jusqu'à la surface 22. Elle permettra un fluage radial du métal pendant le forgeage.
  • 7) Chauffage et forgeage isotherme de l'ébauche 3 avec le préformes 12 dans la rainure 8 et le bouchon 14.
    • L'ébauche 3 est posée sur son flanc 5 dans une machine 31 disposée elle même sur le plateau inférieur 32 d'une presse hydraulique.
    Un piston 33 pénètre dans la matrice et vient transmettre sur la surface 18 du bouchon 14 la pression 34 exercée parallèlement à l'axe 2 par le plateau supérieur de la presse non représenté sur la figure 1.
    Dans un premier temps, le fond 15 du bouchon 14 vient presser sous l'effet de la pression 34 les préformes 12, provoquant le fluage et l'agglomération du métal d'apport entre les fibres. Au fur et à mesure que le métal d'apport vient combler les espaces entre les fibres des préformes 12, la hauteur totale des préformes 12 diminue et le bouchon 14 pénètre dans la rainure jusqu'à ce que la surface 20 de l'excroissance 19 arrive au contact du flanc 4 de l'ébauche 3. La pression 34 s'exerce alors axialement sur toute la matière de l'anneau 1 qui prend progressivement la forme imposée par la matrice 31 et le piston 33. En pratique, la déformation du couvercle 14 commence avant la compression complète des préformes 12.
    Sous l'effet de la pression 34, le métal de l'ébauche 3, la poudre de métal d'apport introduite dans les espaces 13 et le métal d'apport des préformes 12 finissent de remplir complètement l'espace entre les fibres, arrivent en contact mutuel et se soudent entre eux, réalisant ainsi la compression des fibres et du métal pendant le forgeage isotherme de l'anneau.
    On choisira de préférence un métal d'apport ayant des températures de forgeage isotherme voisines ou un peu inférieures à celle du métal de l'ébauche, afin que la brasure et le métal d'apport aient une plasticité plus importante qui facilite la pénétration du métal entre les fibres. Ce métal d'apport doit évidemment être soudable avec celui de la pièce. Avantageusement les métaux de la pièce, des préformes et de la poudre pourront être identiques, mais ce n'est pas une nécessité.
    Le métal du bouchon 14 aura de préférence une température de forgeage isotherme voisine ou supérieure à la température de forgeage du métal de l'ébauche 3 et du métal d'apport des préformes 12, de façon à ce qu'il soit un peu moins plastique qu'eux pour permettre d'améliorer le pressage des préformes 12 au fond de la rainure 8, et notamment de démarrer la compression des préformes 12 avant le forgeage isotherme proprement dit de l'anneau 1.
    Dans une autre forme de réalisation, les métaux de l'ébauche 3 et du bouchon 14, ainsi que le métal d'apport des préformes 12 et de la poudre sont identiques, ce qui améliore l'homogénéïté et la résistance de l'anneau 1.
    Par un moyen 35 on exerce sur l'ébauche 3 une pression 36 radiale combinée à la pression axiale 34, afin de générer à l'intérieur de la pièce une pression isostatique, c'est à dire uniforme dans toute les directions. Cette pression isostatique améliore le soudage du métal de l'ébauche 3 et du bouchon 14 autour des préformes 12 et permet de réduire la quantité de poudre de métal d'apport à introduire dans les espaces 13, ce qui améliore l'homogénéïte de l'anneau 1.
    Le piston 33 est en appui sur le bouchon 14 par sa surface 37. Cette surface 37 comporte une surépaisseur 38 ayant la même forme que la dépression 23, mais la hauteur de la surépaisseur 38 est inférieure à la profondeur de la dépression 23. De ce fait, il subsiste un espace 39 entre ladite surépaisseur 38 et ladite dépression 23, et cet espace 39 sera comblé pendant le forgeage isotherme par le déplacement suivant une direction radiale de la matière du bouchon 14 à proximité de la surface 18 en contact avec le piston 33. Ce déplacement de matière donne aux grains de métal une forme allongée appelée fibrage qui en augmente la résistance.
    Rappelons que le dispositif de forgeage isotherme de l'anneau 1 comporte une matrice 31 posée sur le plateau inférieur 32 d'une presse, un piston 33 sur lequel le plateau supérieur non représenté de la presse exerce une pression axiale 34, ledit piston 33 pénétrant dans ladite matrice 31, et un moyen 35 exercant une pression centrifuge 36 sur la matrice 31.
    Dans une forme de réalisation préférée, la matrice 31 a une forme annulaire autour de l'axe 2 avec une section en L dont l'ouverture est tournée vers le dessus et vers l'extérieur.
    La branche horizontale 41 du L est en bas et forme par sa surface supérieure le fond 42 de la matrice 31.
    La branche verticale 43 du L est tournée vers l'axe géométrique 2 et constitue la paroi verticale 44 de la matrice 31.
    A l'opposé de cette paroi 44, la matrice 31 est délimitée radialement vers l'axe 2 par une surface cylindrique concave 45 centrée sur l'axe 2.
    Le moyen 35 permettant d'exercer la pression centrifuge 36 sera avantageusement un mandrin radialement expansible réalisé dans un matériau à fort coefficient de dilatation thermique, l'expansion étant obtenue par le chauffage dudit mandrin 35. Le mandrin 35 est délimité radialement vers l'extérieur par une surface cylindrique 46 et s'emboite à l'intérieur de la surface cylindrique 45 de la paroi verticale 44 avec un jeu réduit entre les surfaces 45 et 46.
    On comprend que lorsque le mandrin 35 se dilate sous l'effet de la chaleur, la surface 46 du mandrin 35 vient pousser la matrice 31 sur sa surface 45, provoquant ainsi la pression centrifuge 36.
    Le présent dispositif comporte aussi une ceinture 47 de forme cylindrique centrée sur l'axe 2 et reposant par l'un de ses flancs 48 sur le plateau inférieur 32 de la presse. La ceinture 47 comporte une paroi intérieure 49 cylindrique et concave centrée sur l'axe 2 qui entoure la matrice 31, qui se trouve en regard de la paroi verticale 44 et qui délimite radialement vers l'extérieur l'espace dans lequel est forgé l'anneau 1. Le piston annulaire 33 vient aussi s'insérer entre la paroi 44 de la matrice 31 et la paroi 49 de la ceinture.
    Cette ceinture 47 est réalisée en un matériau résistant et présentant un faible coefficient de dilatation thermique par exemple en fibres de carbone. Cette ceinture 47 empêche la dilatation radiale de l'ébauche 3 et du bouchon 14 pendant le forgeage isotherme, ce qui améliore l'efficacité de la pression centrifuge 36 tout en maintenant les fibres pour empêcher leur mise en contrainte.
    Dans cet exemple, le rotor est en alliage de titane TA6V et les fibres de renfort en carbure de silicium SiC recouvertes d'un dépôt de carbone. Le forgeage isotherme s'effectue à 950°C sous une pression de 600 bars pendant 50 minutes.
    Usinage final du rotor, à partir de l'anneau 1 ainsi obtenu. Dans le cas d'un rotor axial de turbomachine, les aubes non représentées seront usinées dans la surépaisseur de matière 55 disposée entre les préformes 12 et la surface extérieure 7, alors que les brides non représentées de liaison avec les autres étages de la turbomachine seront usinées dans les surépaisseurs de matière 56A et 56B disposées entre les préformes 12 et les flancs 5 ou 18.
    On se reportera maintenant à la figure 2.
    La fibre de renfort 60 est prise sur une bobine d'alimentation 61. La fibre 60 plonge dans une cuve 62 contenant un bain 63 de liant organique liquide, passe autour d'une poulie de renvoi 64 immergée dans la solution 63 et émerge de cette solution 63 enrobée d'une certaine quantité de solution de liant.
    La fibre 60, passe ensuite dans le moyeu de séchage 65, par exemple un tube chauffé avec une résistance électrique, afin de durcir l'enrobage de liant organique tout en lui conservant une aptitude suffisante à se coller aux fibres voisines.
    La fibre 66 ainsi enrobée contourne ensuite une poulie de renvoi 67 et est bobinée sur le mandrin 68 pour constituer la préforme de fibre 12A. Avec ce procédé, l'épaisseur de l'enrobage est déterminée par la viscosité et donc la concentration et la température de la solution 63, alors que son degré de séchage et donc sa dureté sont déterminés par l'intensité du chauffage dans le tube chauffant 65 et la durée du passage de la fibre dans ce tube 65.
    On se reportera maintenant à la figure 3.
    Le mandrin 68 tourne autour de l'axe géométrique de rotation 69. Ce mandrin 68 comporte deux flasques circulaires 70 disposés de part et d'autre d'un moyeu circulaire 71, ainsi qu'un moyen non représenté de positionnement et d'entrainement en rotation autour de l'axe 69 desdits flasques 70 et dudit moyeu 71.
    Les deux flasques 70 comportent chacun une face latérale 72 plane et radiale, lesdites faces 72 étant en regard l'une de l'autre pour former une rainure annulaire 73 ouverte sur la périphérie 74 du mandrin et délimitée intérieurement par le moyeu 71. Les faces 72 se raccordent à la périphérie 74 du mandrin 68 par un rayon 75, afin de ne pas risquer d'arracher l'enrobage 76 des fibres 60.
    La fibre enrobée 6 est enroulée en spirale dans la rainure 73 pour constituer la préforme de fibre 12A. L'espace formé entre les spires étant égal à deux fois l'épaisseur de l'enrobage 76 de la fibre 60.
    L'écartement des faces 72 est égal ou un peu supérieur au diamètre des fibres enrobées 66, et le diamètre du moyeu 71 est égal au diamètre intérieur de la préforme 12A de fibre à réaliser.
    Dans un mode de réalisation préféré, l'un des flasques 70 est amovible pour permettre de retirer la préforme 12A ainsi bobinée, et le moyeu 71 a la forme d'un tronc de cône dont le petit diamètre est tourné du côté du flasque 70 amovible, afin de faciliter le retrait de la préforme 12A.
    Le séchage de l'enrobage 76 doit être suffisant pour que cet enrobage 76 puisse acquérir une dureté lui permettant de ne pas se déformer de façon significative pendant le bobinage, mais pas trop toutefois. De ce fait, la tension de la fibre 66 pendant le bobinage sur le mandrin 68 provoque le collage des spires adjacentes de fibre enrobée 66 suivant la ligne de contact 77 entre ces spires. Ce collage assure la cohésion de la préforme pendant son retrait du mandrin, pendant son transport, et pendant son introduction dans la rainure annulaire 8 de l'ébauche 3 du rotor.
    Les faces 72 et la périphérie du moyeu 71 sont en un matériau dur et non adhésif tel le téflon.
    La concentration et la tempérture du bain de liant organique 63, le chauffage de la fibre enrobée 66 et la tension de ladite fibre enrobée 66 peuvent être déterminés par des expérimentations courantes pour l'homme de métier. Dans le présent exemple de réalisation, le bain de liant 63 est une solution de polyméthyle-métacrylate de formule chimique générale (CH2C(CH3) (CO2CH3)-)n (appelé couramment PMMA) dans de l'acétone. Le PMMA est pyrolysable entre 400°C et 600°C.
    De ce fait, pendant le chauffage du rotor 1 avant l'opération de forgeage isotherme, un palier de une heure à 2 heures environ est effectué vers 500° pour pyrolyser le liant et éliminer les gaz résultant de cette pyrolyse.
    L'empilage des préformes de fibre 12A et des rondelles de métal d'apport 12B est assez compact. De ce fait, et afin de faciliter l'évacuation des gaz produits par la pyrolyse du liant, on préférera perforer les rondelles 12B de métal d'apport séparant les préformes de fibre 12A. Afin de ne pas modifier les proportions respectives de fibre et de métal, et afin aussi de ne pas risquer de mettre en contact les fibres de deux préformes voisines 12A à travers les perforations des rondelles 12B, ces perforations seront de préférence réalisées sans enlèvement de matière, par exemple à l'aide d'une pointe métallique ou d'une lame.

    Claims (16)

    1. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres, ledit procédé comportant les opérations suivantes :
      réalisation d'une ébauche (3) de la pièce (1),
      réalisation d'au moins une rainure (8) dans l'ébauche (3); ladite rainure (8) étant annulaire et ouverte au moins dans la direction axiale;
      réalisation de préformes (12) de fibre et de métal d'apport;
      introduction dans la rainure (8) des préformes (12) de fibre et de métal d'apport ;
      obturation de la rainure (8) par un bouchon (14) arrivant au contact des préformes (12) et dépassant de la rainure (8), ledit bouchon (14)étant réalisé dans un métal présentant une température de forgeage isotherme voisine ou supérieure à celle du métal d'apport des préformes (12);
      forgeage de l'ébauche (3) suivant la direction axiale, afin de réaliser simultannément la compression des préformes (12), le soudage des préformes (12) comprimées avec le reste de la pièce (1) ainsi que le forgeage de la pièce (1);
      caractérisé en ce que le forgeage de l'ébauche (3) est un forgeage isotherme suivant la direction axiale combiné à un forgeage isotherme radial centrifuge afin d'obtenir une compression pratiquement isostatique.
    2. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les espaces (13) restant entre les préformes (12) et les parois (10) et (11) de la rainure (8) sont comblés de poudre soudable au métal de la pièce.
    3. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la poudre et le métal d'apport des préformes (12) ont des températures de forgeage isotherme voisines ou inférieures à celle du métal de l'ébauche (3).
    4. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que un fluage de métal de l'anneau (1) suivant une direction radiale est effectué sur au moins un flanc (18) de cette pièce (1) pendant l'opération de forgeage isotherme.
    5. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ébauche (3) est entourée d'une ceinture (47) présentant un faible coefficient de dilatation thermique.
    6. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres, conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on réalise des préformes de fibre (12A) distinctes des préformes de métal d'apport (12B), lesdites préformes de fibre (12A) et lesdites préformes de métal (12B) ayant chacune la forme d'une rondelle plate évidée en son centre, et en ce que les préformes de fibre (12A) et les préformes de métal (12B) sont empilées alternativement dans la rainure (8), de sorte que chaque préforme de métal (12B) sépare deux préformes de fibre (12A).
    7. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conformément à la revendication 6, caractérisé en ce que les préformes de métal 12B sont perforées sans perte de matière.
    8. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que l'obtention des préformes de fibre (12A) comporte notamment les opérations suivantes :
      enrobage de la fibre (60) par une couche de liant,
      bobinage de la fibre ainsi enrobée (66) sur un mandrin (68).
    9. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à la revendication 8 caractérisé en ce que le bobinage de la fibre enrobée (66) sur le mandrin (68) est effectué en une seule couche plane et radiale.
    10. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que l'enrobage de la fibre (60) est réalisé par trempage de ladite fibre (60) dans une solution (63) de liant organique, suivi d'un séchage.
    11. Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres conforme à la revendication 10 caractérisé en ce que la solution (63) est du polyméthylmétachrylate de formule chimique (CH2C(CH3)(CO2CH3)-n dissous dans de l'acétone.
    12. Dispositif de forgeage isotherme conçu pour la mise en oeuvre du procédé d'obtention conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'il comporte
      une matrice annulaire (31) ayant une section en L dont la branche horizontale forme le fond (42) de ladite matrice (31), et dont la branche verticale (43) est vers l'axe géométrique (2) de la matrice (31) et en constitue la paroi verticale (44),
      une ceinture (47) entourant la matrice (31) et réalisée en matériau à faible coefficient de dilatation thermique,
      un piston annulaire (33) qui s'insère entre la paroi verticale (44) de la matrice (31) et la ceinture (47), afin de transmettre l'effort axial de pressage (34),
      un mandrin radialement expansible (35) disposé à l'intérieur de la paroi verticale (44) et exerçant pendant le forgeage isotherme la pression centrifuge (36) sur ladite paroi verticale (44).
    13. Dispositif conçu pour la mise en oeuvre du procédé d'obtention conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'il comporte une bobine (61) d'alimentation en fibre (60), une cuve (62) contenant un bain de liant (63), un moyen de séchage (65) et un mandrin (68) pour bobiner la fibre enrobée (66).
    14. Dispositif conforme à la revendication 13, caractérisé en ce que le mandrin (68) comporte un moyeu (71) flanqué de deux flasques (70) plans et radiaux à l'axe géométrique de rotation (69) du mandrin (68), lesdits flasques (69) étant écartés d'une distance égale ou un peu supérieure au diamètre de la fibre enrobée (66), l'un au moins desdits flasques (70) étant amovible pour permettre de retirer la préforme (12A) obtenue.
    15. Dispositif conforme à la revendication 14, caractérisé en ce que le moyeu (71) du mandrin (68) a la forme d'un tronc de cône dont le petit diamètre est situé du côté du flasque (70) qui est amovible, pour faciliter le retrait de la préforme (12A).
    16. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que les surfaces (72) des flasques (70) en contact avec la fibre enrobée (66) sont en un matériau dur et non adhésif tel le téflon.
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    Families Citing this family (19)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    FR2741383B1 (fr) * 1995-11-22 1997-12-12 Snecma Procede de fabrication d'un rotor composite a matrice metallique
    GB9619890D0 (en) * 1996-09-24 1996-11-06 Rolls Royce Plc A method of making a fibre reinforced metal component
    US5968671A (en) * 1997-10-31 1999-10-19 Joseph; Brian E. Brazed composites
    US6178799B1 (en) 1999-10-12 2001-01-30 The Boeing Company Forming press and method for shaping angle-section workpieces
    EP1099774B1 (fr) * 1999-11-04 2006-04-05 AVIO S.p.A. Procédé de fabriction d'un élément en matériau composite
    US7153555B2 (en) * 2000-02-15 2006-12-26 Travel Tags, Inc. Plastic objects including lenticular lens sheets
    GB0327044D0 (en) * 2003-11-18 2004-04-07 Rolls Royce Plc A method of manufacturing a fibre reinforced metal matrix composite article and a cassette for use therein
    DE102004001262B4 (de) * 2004-01-08 2007-03-01 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Ablegen von Fasern in Ausnehmungen, insbesondere bei der Herstellung von MMC-Bauteilen
    US7842375B2 (en) * 2005-05-17 2010-11-30 Rolls-Royce Corporation Fiber retention system for metal matrix composite preform
    GB0515211D0 (en) 2005-07-23 2005-08-31 Rolls Royce Plc A method of making titanium components
    FR2925897B1 (fr) * 2007-12-28 2010-07-30 Messier Dowty Sa Procede de fabrication de pieces avec insert en materiau composite a matrice metallique
    FR2925895B1 (fr) * 2007-12-28 2010-02-05 Messier Dowty Sa Procede de fabrication d'une piece metallique renforcee de fibres ceramiques
    HU227362B1 (en) * 2008-04-29 2011-04-28 Contitech Rubber Ind Kft Procedure for manufacturing fibre reinforced hoses
    US8727203B2 (en) 2010-09-16 2014-05-20 Howmedica Osteonics Corp. Methods for manufacturing porous orthopaedic implants
    CA2854977C (fr) * 2011-12-05 2019-07-02 Apci, Llc Appareil et procede de soudage a friction lineaire
    CN102581557A (zh) * 2012-02-23 2012-07-18 滁州安迈达特种铝业有限公司 冰箱门把手的无缝堵头加工工艺
    EP2638986B1 (fr) 2012-03-13 2019-05-08 TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG Procédé de fabrication d'une pièce usinée composite à métal fibreux et machine-outil
    GB201700614D0 (en) * 2017-01-13 2017-03-01 Rolls Royce Plc A method of manufacturing a component
    CN114918542B (zh) * 2022-03-04 2024-04-19 南京理工大学 一种高强铝合金的纳米颗粒增强激光填粉焊接方法

    Family Cites Families (13)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    DE2226863A1 (de) * 1972-06-02 1973-12-20 Felten & Guilleaume Kabelwerk Verfahren zur herstellung von durch einlagen von faserstrukturen verstaerkten metallwerkstoffen
    US4012824A (en) * 1973-06-06 1977-03-22 Felten & Guilleaume Kabelwerke Ag Reinforced article and method of making the same
    FR2366904A1 (fr) * 1976-10-11 1978-05-05 Armines Procede et appareillage pour la fabrication de tubes en materiaux composites
    JPS57155336A (en) * 1981-03-20 1982-09-25 Honda Motor Co Ltd Production of fiber-reinforced composite body
    US4782992A (en) * 1986-11-21 1988-11-08 Textron Inc. Method of forming articles
    JP2545277B2 (ja) * 1988-11-18 1996-10-16 本田技研工業株式会社 コンロッドの閉塞鍛造装置
    IL95131A0 (en) * 1989-07-19 1991-06-10 Calgene Inc Ovary tissue transcriptional factors
    US5184769A (en) * 1989-07-26 1993-02-09 Avco Corporation Tooling and method for consolidating a filamentary reinforced metal matrix composite
    JP2659848B2 (ja) * 1990-05-29 1997-09-30 三菱重工業株式会社 短繊維系ｆｒｍの等温鍛造法
    US5337940A (en) * 1990-12-11 1994-08-16 Woods Harlan L Composite preform and method of manufacturing fiber reinforced composite
    US5098011A (en) * 1990-12-14 1992-03-24 Mcdonnell Douglas Corporation Method and tooling for fabricating monolithic metal or metal matrix composite structures
    US5213252A (en) * 1992-05-15 1993-05-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Method to produce selectively reinforced titanium alloy articles
    FR2715883B1 (fr) * 1994-02-10 1996-03-29 Snecma Procédé d'obtention d'une pièce circulaire métallique renforcée par des fibres.

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