FR2711330A1 - Procédé de fabrication de composants armés de fibres longues. - Google Patents
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Abstract
Selon ce procédé, on rapporte dans l'espace creux d'une pièce, faite d'un matériau formant une matrice, des fibres longues (18) orientées parallèlement l'une à l'autre. Les fibres longues (18) sont revêtues du matériau formant la matrice. On expose la pièce, ainsi préparée, à un processus de mise sous pression isostatique à chaud puis on usine la pièce pour obtenir le composant (24). Le composant (24) présente une enveloppe (26) en le matériau formant la matrice, avec un noyau (28) constitué de fibres longues (18) noyées dans du matériau formant la matrice.
Description
PROCEDE DE FABRICATION DE COMPOSANTS
ARMÉS DE FIBRES LONGUES.
L'invention concerne un procédé de fabrication de composants armés de fibres longues, en particulier de composants qui sont constitués d'un matériau, formant la matrice, cassant et/ou ductile, c'est-à-dire déformable à haute température (environ 500'C à 2000OC) et sous haute pression (environ 1000 bars et davantage) et qui sont armés de fibres, à haute résistance mécanique et résistant à température élevée, d'un matériau cassant et sensible à la force de cisaillement dans le sens radial des fibres. En ce qui concerne le matériau formant la matrice, il s'agit de métal ou d'un
alliage métallique, en particulier à base de titane.
Pour conférer à des composants une assez grande robustesse pour un poids assez faible, il est connu en principe de noyer des fibres dans les composants. Chaque fois selon le choix du matériau pour les fibres, on diminue aussi la dilatation thermique et on augmente la résistance à la température du composant armé de fibres de cette façon. Il est intéressant que le matériau fibreux d'armature soit constitué de fibres revêtues d'un matériau formant une matrice; ceci présente l'avantage que des fibres voisines ne peuvent pas se toucher mais que, bien plutôt, elles sont entourées d'un matériau, le matériau formant la matrice. De préférence, comme matériau formant la matrice on emploie des alliages à base de titane tandis que les fibres elles-mêmes sont constituées
de carbure de silicium (SiC).
Dans le cadre de cette invention, sous le terme de "fibre", il faut comprendre une fibre monofilament qui est constituée intérieurement d'un matériau fibreux et présente extérieurement un revêtement en le matériau formant la matrice. A l'intérieur le matériau fibreux peut présenter une âme centrale. Le matériau fibreux peut présenter une couche de protection qui l'entoure et sur laquelle est rapporté le matériau formant la matrice. Dans le cas d'une fibre en SiC, l'âme est constituée de carbone, le matériau fibreux entourant l'âme, de SiC, la couche de protection, essentiellement de carbone et le matériau formant
la matrice, d'un alliage à base de titane.
A partir du document DE 40 21 547 A 1, on connaît un procédé de fabrication de composants armés de fibres, dans le cas duquel on enveloppe un matériau support avec au moins une fibre revêtue d'un matériau formant une matrice et on expose ensuite ce matériau enveloppé à un processus de mise sous pression isostatique à chaud. Dans le cas de la mise sous pression isostatique à chaud, on encapsule le corps enveloppé, c'est-à-dire qu'on l'entoure d'une capsule, que l'on met ensuite la capsule sous vide et qu'on l'obture avec étanchéité au vide et qu'ensuite on chauffe cette capsule et
qu'on l'expose de tous côtés à une pression élevée.
Avec le procédé connu on ne peut fabriquer que des composants armés de fibres pour lesquels l'armature de fibres est enroulée. Mais bien souvent il est souhaitable que le composant armé de fibres puisse présenter une robustesse élevée dans une dimension. Ceci est par exemple le cas pour les aubes de turbine qui sont exposées à des contraintes extrêmes, en particulier selon la
direction radiale de la turbine.
A partir du document DE 29 15 412 C2, on connaît un procédé de fabrication d'un corps de forme en un matériau métallique, formant la matrice, armé de fibres. Les différentes fibres sont insérées dans des petits tubes qui représentent le matériau formant la matrice. On dispose plusieurs petits tubes de ce type dans un corps en forme de douille qui correspond déjà au contour du composant à fabriquer. On obture, au moyen d'un bouchon de matériau approprié, le corps de forme qui est ouvert à ses deux extrémités frontales, après quoi on expose le corps de forme, ainsi obturé, à un processus de mise sous pression isostatique à chaud. Ensuite on enlève les bouchons ou bien on
usine autrement le corps de forme à ses extrémités.
Pour que le corps de forme puisse être soumis à une pression isostatique à chaud, il faut une obturation étanche à l'air à ces extrémités, ce qui est coûteux comme technique de procédé, du fait que les conditions existant aux extrémités du corps de forme se modifient pendant le processus de mise sous pression isostatique à chaud, au cours duquel
se produit un compactage.
A partir du document DE 37 OO 805 C2, on connaît un autre procédé de fabrication de matériaux composites armés de fibres. Dans le cas de ce procédé connu également, on dispose les fibres dans un corps creux qui correspond déjà au contour du composant à fabriquer. Rien n'y est dit en ce qui concerne une obturation, étanche au gaz, des extrémités du moule creux. Il est simplement indiqué que les fibres et la matrice rapportée entre elles sous forme de poudre sont suffisamment comprimées pour que les particules de poudre se
soudent aussi bien entre elles qu'avec les fibres.
L'invention a pour but de proposer un procédé de fabrication de composants armés de fibres longues dans le cas desquels l'armature de fibres se présente sous forme de différentes fibres longues sensiblement parallèles, la fabrication se réalisant de façon simple du point de vue technique du procédé. Pour atteindre ce but, selon l'invention, on propose un procédé de fabrication de composants, armés de fibres longues, qui présentent un matériau formant une matrice avec des fibres longues sensiblement parallèles qui y sont noyées et sont revêtues du matériau formant la matrice, procédé dans lequel on produit tout d'abord une pièce en un matériau compatible avec le matériau formant la matrice des fibres, en particulier en le matériau formant la matrice, présentant au moins un espace creux qui est ouvert d'au moins un côté et qui, en coupe transversale, est plus petit que le composant à fabriquer, dans lequel ensuite on remplit l'espace creux de fibres longues revêtues du matériau formant la matrice, les différentes fibres longues étant disposées dans l'espace creux sensiblement parallèles l'une à l'autre, on expose à un processus de mise sous pression isostatique à chaud la pièce avec les fibres longues se trouvant dans son espace creux et ensuite on usine la pièce pour fabriquer le composant armé de fibres longues. Le point de départ du procédé conforme à l'invention est une pièce en un matériau formant de préférence la matrice, c'est-à-dire en le matériau de revêtement des fibres longues, présentant un espace creux qui est ouvert au moins d'un côté, qui correspond sensiblement à la forme du composant à
fabriquer et qui, en coupe transversale, est plus petit que celui-
ci. On remplit de façon dense l'espace creux de différentes fibres longues revêtues, les différentes fibres étant disposées dans l'espace creux
S sensiblement parallèles l'une à l'autre.
On expose la pièce ainsi préparée à un processus de mise sous pression isostatique à chaud dans le cas duquel on encapsule d'abord la pièce, le récipient employé pour cela étant mis sous vide et obturé avec étanchéité au vide, puis on chauffe le récipient à température élevée et on l'expose à une pression élevée de tous côtés, de façon que, du fait de la température et de la pression, on atteigne le point de ductilité du matériau formant la matrice et qu'éventuellement on le dépasse. Après le processus de mise sous pression isostatique à chaud, on usine la pièce, sortie du récipient, pour
fabriquer le composant demandé.
De préférence la mise sous vide du récipient se fait sous élévation de température pour dégazer la surface des fibres revêtues du matériau formant la matrice et/ou de la pièce. Ces surfaces peuvent être polluées chimiquement, par exemple par de la colle, de l'oxygène et/ou de l'hydrogène. On peut par exemple utiliser de la colle pour maintenir les fibres longues contre les parois intérieures de
l'espace creux lors du garnissage de la pièce.
La pièce fabriquée selon le procédé conforme à
l'invention est armée de fibres dans une dimension.
Le procédé est particulièrement avantageux lors de la fabrication d'aubes de turbine armées de fibres, qui sont exposées à des contraintes extrêmes, en
particulier selon la direction radiale de la turbine.
Comme fibres longues, viennent en question ici en particulier des fibres de carbure de silicium revêtues d'un alliage à base de titane. La résistance élevée à la température des aubes de turbine fabriquées selon le procédé conforme à l'invention permet de renoncer à un refroidissement des aubes de turbine jusqu'à la plage moyenne de température d'utilisation de la turbine, mais dans tous les cas il faut refroidir moins que pour les
aubes de turbine conventionnelles.
De façon générale, en ce qui concerne le procédé conforme à l'invention, on peut dire que l'espace creux dans la pièce est conçu et dimensionné de façon que le composant fini enclose l'espace creux - alors rempli de fibres longues et du matériau formant la matrice -, c'est-à-dire présente à peu près une enveloppe ou une gaine entourant la zone armée de fibres. L'espace creux est donc
dimensionné en conséquence.
En principe la pièce présentant l'espace creux est formée d'une seule partie, ou bien aussi de
plusieurs parties, en particulier de deux parties.
On regroupe alors les deux parties, ou davantage, de la pièce lors du remplissage de l'espace creux, les différentes parties formant alors entre elles
l'espace creux à remplir des fibres longues.
Selon le procédé conforme à l'invention, on peut également fabriquer des composants partiellement armés de fibres. Par exemple, plusieurs espaces creux peuvent être prévus dans la pièce, le
composant fini enclosant tous les espaces creux.
On peut également envisager que le ou les espaces creux soient garnis, chacun, d'un ou de plusieurs noyaux, de préférence en le matériau formant la matrice, pour ne garnir ensuite de fibres longues que "l'espace annulaire" subsistant. En outre, après la mise sous pression isostatique à chaud, on peut à nouveau enlever le matériau du noyau pour, par exemple dans le cas d'une aube de turbine fabriquée selon le procédé conforme à l'invention, créer pour celle-ci un espace de refroidissement intérieur. Pour augmenter le taux de remplissage en fibres longues de l'espace creux, ouvert au moins d'un côté, prévu dans la pièce, il est intéressant de mettre en vibration la pièce lors de l'introduction des fibres longues. Si nécessaire, on peut en outre comprimer le matériau formant la matrice avec de la poudre de ce matériau. On emploie ici de préférence de la
poudre de granulométrie allant de 10 à 20 pm.
De préférence, avant apport des fibres longues, on libère la pièce des impuretés de surface. Ceci se fait de préférence par attaque chimique de la pièce
présentant l'espace creux.
Lorsqu'une pièce garnie de fibres longues parallèles est soumise à un processus de mise sous pression isostatique à chaud, les fibres longues subissent, au milieu, une compression plus forte que sur leurscôté frontaux o elles se limitent à la capsule entourant la pièce. Ceci provient de ce que, du fait de la paroi de la capsule, la pression radiale agissant sur les fibres longues est plus faible aux extrémités frontales des fibres longues. Les fibres longues s'orientent donc, à leurs extrémités frontales, en s'écartant légèrement l'une de l'autre. Dans le cas du processus de mise sous pression isostatique à chaud, il est
intéressant de s'opposer à cet effet, désigné ci-
dessous sous le nom de "effet de bordure" en munissant du matériau formant la matrice les extrémités frontales des fibres longues introduites dans l'espace creux. De cette façon, les fibres longues n'atteignent plus sans intermédiaire la paroi de la capsule, mais elles en sont écartées par une couche du matériau formant la matrice. Il est intéressant que l'espace creux de la pièce soit obturé par des plaques ou autres constituées du
matériau formant la matrice.
De préférence, on usine l'espace creux dans la pièce en le creusant par érosion par étincelage, mais on peut également employer des pièces "comprimées", dans lesquelles l'espace creux se forme après enlèvement d'un noyau autour duquel on a comprimé le matériau de la pièce. En principe d'autres procédés d'usinage pour la fabrication ou le creusement de l'espace creux sont encore
possibles.
On explique en détail ci-dessous un exemple de réalisation de l'invention à l'aide des figures. Les figures 1 à 5 montrent les différents stades de la fabrication d'une aube de turbine armée de fibres longues en un alliage à base de titane avec des
fibres longues en carbure de silicium.
Le point de départ est un bloc 10 pour la pièce, de forme sensiblement parallélépipédique, rectangle, en un alliage à base de titane. Dans ce bloc 10, représenté sur la figure 1, on creuse, par érosion par étincelage, un espace creux traversant 16 qui est ouvert des deux côtés, c'est-à-dire sur la surface supérieure 12 et sur la face inférieure 14, qui correspond, en coupe transversale, aux caractéristiques géométriques désirées de l'aube et qui est plus petit que l'aube de turbine à fabriquer. Après fabrication de l'espace creux 16, on attaque chimiquement le bloc 10 pour nettoyer les surfaces intérieures de l'espace creux. Ensuite on remplit l'espace creux 16 de fibres de carbure de silicium 18 qui présentent un revêtement, par exemple en le même matériau que le bloc 10. En ce qui concerne les fibres 18, il s'agit de fibres longues qui s'étendent sur toute la hauteur du bloc 10, entre sa face supérieure et sa face inférieure 12, 14. Comme indiqué sur la figure 3, les fibres longues 18 sont logées dans l'espace creux 16 en étant orientées parallèlement les unes aux autres. Pendant le remplissage, on augmente le taux de remplissage de l'espace creux 16 en fibres longues 18 en secouant le bloc 10 par vibrations. Ensuite on peut, pour compactage, introduire dans l'espace creux 16 de la poudre d'alliage à base de titane d'une
granulométrie allant d'environ 10 à 20 /um.
On expose ensuite à un processus de compression isostatique à chaud le bloc 10 ainsi préparé. Pour cela on recouvre tout d'abord le bloc 10 selon la figure 4, à ses faces supérieure et inférieure 12, 14, de tôles 20 qui sont constituées du même alliage à base de titane que le bloc 10 et que le revêtement des fibres longues 18. Puis on encapsule le bloc 10, dont on a ainsi obturé les faces ouvertes de son espace creux 16, en l'introduisant dans un récipient V2A 22. On met sous vide ce récipient 22 jusqu'à environ -7 mbar à des températures d'environ 500 C puis on l'obture avec étanchéité au vide. Ensuite a lieu le processus de mise sous pression isostatique à chaud proprement dit au cours duquel, par l'action de la température et de la pression de tous côtés, on atteint et de préférence on dépasse le point de
ductilité du matériau formant la matrice, c'est-à-
dire de l'alliage à base de titane. Après le processus de mise sous pression isostatique à chaud, on usine le bloc 10, par exemple au moyen d'une machine à commande numérique assistée par ordinateur CNC pour obtenir les caractéristiques géométriques de l'aube de turbine 24 selon la figure 5. Cette aube de turbine 24 se caractérise par une enveloppe 26 en le matériau formant la matrice et un noyau 28 armé de fibres qui est constitué de fibres longues parallèles enrobées dans le matériau formant la matrice. Un composant intégré de l'aube de turbine 24 est une embase qui sert à fixer l'aube de turbine 24 sur l'arbre de la turbine. Les fibres longues 18 s'étendent jusque dans l'embase 30. De même que les caractéristiques géométriques de l'aube, l'embase 30 est également obtenue par usinage, par machine à commande numérique assistée sur ordinateur CNC, de la pièce ayant subi le processus de mise sous pression
isostatique à chaud.
Claims (10)
1. Procédé de fabrication de composants qui sont armés de fibres longues et présentent un matériau formant une matrice dans laquelle sont noyées des fibres longues sensiblement parallèles, revêtues du matériau formant la matrice, caractérisé par le fait - que l'on produit une pièce (10) en un matériau formant en particulier une matrice avec au moins un espace creux (16) qui est ouvert au moins d'un côté et qui, en coupe transversale, est plus petit que le composant à fabriquer (24), - que l'on remplit l'espace creux (16) de fibres longues (18) revêtues du matériau formant la matrice, les différentes fibres longues (18) étant disposées sensiblement parallèles l'une à l ' autre, - que l'on encapsule la pièce (10),avec les fibres longues (18) qui se trouvent dans son espace creux (16), et qu'on l'expose à un processus de mise sous pression isostatique à chaud et - que l'on usine ensuite la pièce (10) pour produire le contour extérieur du composant (24)
armé de fibres longues.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lors de l'introduction de fibres longues (18) dans ledit (lesdits) espace(s) creux (16),
on expose la pièce (10) à des vibrations.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que dans ledit (lesdits) espace(s) creux (16) de la pièce (10), on rapporte en outre de la poudre du matériau formant
la matrice.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé par le fait qu'avant l'introduction des fibres longues (18) dans ledit (lesdits) espace(s) creux (16), on attaque chimiquement la
pièce ( 1 0).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4,
caractérisé par le fait que dans ledit (lesdits) espace(s) creux (16), on insère au moins un noyau, en particulier en matériau formant la matrice, le (les) noyau(x) étant, en coupe transversale, plus petit(s) que ledit (lesdits) espace(s) creux (16), et que l'on remplit de fibres
longues (18) l'espace subsistant.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé par le fait qu'avant que s'effectue le processus de mise sous pression isostatique à chaud, on munit la pièce (10) de matériau formant la matrice (20) sur sa face ouverte (12, 14) en direction de l'espace creux (16), face dont il y a au moins une, pour recouvrir les extrémités
frontales des fibres longues (18).
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisé par le fait que l'on usine l'espace creux (16) dans la pièce (10) en la creusant, en particulier en la creusant par érosion par étincelage.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7,
caractérisé par le fait que la pièce (10) est en une
partie ou en plusieurs parties.
9. Composant obtenu par un procédé conforme à
l'une des revendications 1 à 8.
10. Utilisation d'un procédé selon l'une des
revendications 1 à 7 pour fabriquer une aube de
turbine (24) armée de fibres longues.
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