Elle concerne plus précisément : - une pièce mécanique réalisée avec deux parties formées d'un noyau réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et d'une enveloppe réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique ; et - un procédé de fabrication qui permet l'obtention, par sa mise en oeuvre, de ladite pièce mécanique précitée.

En particulier, de manière non limitative, la présente invention concerne l'obtention d'une pièce mécanique pour laquelle la matrice métallique du premier matériau et/ou du deuxième matériau présente l'aluminium comme métal de base.

Dans une application préférée, mais non limitative, la présente invention concerne une pièce mécanique utilisée dans le secteur aéronautique, en particulier comme aube mobile ou fixe d'un compresseur, notamment basse pression, ou bien comme aube de soufflante (« fan ») de turboréacteur.

Toutefois, la présente invention n'est pas destinée à tre limitée à la réalisation d'aubes ni à n'tre appliquée seulement au secteur aéronautique : d'autres types de pièces mécaniques peuvent tre envisagées, notamment dans les secteurs des machines-outils ou dans le secteur automobile, comme des carters, des tubes, des cylindres ou des pièces d'usure dans le domaine du freinage.

Spécifiquement, des pièces mécaniques de plus en plus légères et présentant de bonnes caractéristiques de résistance mécanique et de tenue en température sont requises, pour des applications de divers types.

Ainsi, en particulier dans le domaine aéronautique, et plus précisément dans les turboréacteurs, sont recherchés des matériaux avec des caractéristiques de résistance mécanique et de tenue à la température optimales, notamment pour la fabrication des aubes fixes et/ou mobiles.

A l'heure actuelle, les alliages de titane sont largement utilisés à cet effet, ce qui a notamment pour inconvénients des coûts important de matière première ainsi qu'un poids parfois encore considéré comme trop important.

Des solutions visant à la réalisation de pièces creuses en titane permettant d'alléger les structures sont aussi utilisées, ce qui engendre des techniques de fabrication relativement sophistiquées et coûteuses.

On peut se référer au document US 6 218 026 qui propose la réalisation d'une pièce mécanique hybride composée notamment de deux alliages différents de titane respectivement disposés à l'emplacement de parties interne et externe de la pièce. Selon ce document de l'art antérieur, la partie interne et la partie externe sont reliées entre elles par une liaison métallurgique obtenue par pressage isostatique à chaud.

En tout état de cause, on vise à obtenir une pièce mécanique dont le module d'élasticité est plus important dans la partie interne que dans la partie externe afin d'améliorer les propriétés mécaniques de la pièce sans altérer particulièrement sa densité.

Toutefois, l'intervention d'un alliage de titane est par ailleurs préjudiciable du point de vue de la masse de la pièce mécanique et du coût de matière première tandis que la technique de pressage isostatique à chaud est lourde à mettre en oeuvre.

La présente invention a pour objectif de pallier les inconvénients de ces techniques de l'art antérieur en proposant une pièce mécanique et son procédé de fabrication à l'aide de techniques métallurgiques simples à mettre en oeuvre.

Selon un de ses aspects, la présente invention concerne donc une pièce mécanique présentant une direction principale le long de laquelle s'étendent une zone de coeur formant un noyau et une zone périphérique formant une enveloppe qui entoure ledit noyau, ledit noyau et ladite enveloppe présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une

matrice métallique et ladite enveloppe étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique.

De façon caractéristique, lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux présentent le mme métal de base et l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique.

De cette manière, on comprend qu'il est possible d'obtenir une pièce présentant un noyau et une enveloppe entre lesquelles est formée une interface formée d'une liaison physico-chimique de très bonne qualité du fait de la similitude entre les premier et deuxième matériaux qui comportent le mme métal de base.

Les caractéristiques de l'interface entre deux matériaux formant une pièce, que l'on peut donc qualifier de complexe, sont d'une grande importance, en particulier lorsque l'un au moins de ces matériaux est un composite à matrice métallique : l'identité entre le métal de base rentrant dans la composition des premier et deuxième matériaux est à cet égard d'une grande importance dans l'obtention d'un noyau et d'une enveloppe formant entre eux une liaison métallurgique présentant une grande résistance mécanique.

En outre, cet agencement permet, par la présence des éléments de renforcement, dans l'un au moins parmi le premier matériau et le deuxième matériau, d'améliorer les propriétés de résistance mécanique et, éventuellement de tenue en température, de la pièce dans la partie que l'on souhaite renforcer, tout en conservant globalement une densité similaire à celle de la matrice métallique.

On note incidemment que selon l'application envisagée pour la pièce mécanique, soit l'un seulement parmi le premier matériau (noyau) et le deuxième matériau (enveloppe), soit à la fois le premier matériau et le deuxième matériau (noyau et enveloppe), est (sont) constitué (s) d'un composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique.

Dans ce dernier cas, la composition du premier matériau est différente de celle du deuxième matériau, au moins en ce qui concerne la proportion des éléments de renforcement.

Les dispositions suivantes sont de préférence adoptées, de manière indépendante ou combinée : - ledit métal de base est l'aluminium ; - lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux sont respectivement formées d'un premier alliage et d'un deuxième alliage, ledit premier alliage et ledit deuxième alliage appartenant aux alliages à base d'aluminium des séries 2000,5000, 6000 ou 7000 selon les normes ASTM ; de préférence, ledit premier alliage et ledit deuxième alliage appartiennent à la mme série d'alliage à base d'aluminium parmi lesdites séries 2000,5000, 6000 ou 7000 selon les normes ASTM, en particulier à la série 2000 ; - éléments de renforcement sont des particules de carbure de silicium (SiC), d'alumine (Al203) ou de carbure métallique tel que carbure de tungstène, de bore ou de titane ; - lesdits éléments de renforcement représentent au plus 50% en poids de la composition dudit composite à matrice métallique ; de préférence, lesdits éléments de renforcement représentent entre 5 et 35%, de préférence entre 10 et 20%, et de préférence de l'ordre de 15% en poids de la composition dudit composite à matrice métallique ; - l'un parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, l'autre parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé seulement de ladite matrice métallique ; - ledit premier matériau est formé seulement de ladite matrice métallique qui comporte l'aluminium comme métal de base et ledit deuxième matériau est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, ladite matrice métallique ayant l'aluminium comme métal de base et lesdits éléments de renforcement étant formés de particules de carbure de silicium (SiC) : ce choix préférentiel permet de bénéficier de la bonne tenue à l'érosion et à l'impact de l'AI/SiC et de sa rigidité plus importante ; - lesdits premier et deuxième matériaux sont formés dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, lesdits éléments de

renforcement représentant un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique différent dans ledit noyau et dans ladite enveloppe ; - lesdits éléments de renforcement représentent un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique progressif dans ledit premier matériau et dans ledit deuxième matériau, depuis le centre dudit noyau vers la périphérie de ladite enveloppe ; - ledit premier matériau présente, pour lesdits éléments de renforcement, un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique plus important que dans ledit deuxième matériau ; - ledit deuxième matériau présente, pour lesdits éléments de renforcement, un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique plus important que dans ledit premier matériau.

Selon une application préférentielle, mais non limitative, de la pièce mécanique selon l'invention, on considère une aube constituée de ladite pièce mécanique.

Une telle aube peut appartenir à un compresseur, en particulier basse pression, que ce soit en tant qu'aube fixe ou en tant qu'aube mobile.

Egalement, une telle aube peut s'appliquer à la réalisation d'une soufflante de turboréacteur.

Selon un autre aspect, la présente invention concerne le procédé de fabrication qui permet l'obtention, par sa mise en oeuvre, de ladite pièce mécanique précitée.

De manière générale, le procédé de fabrication selon la présente invention permet l'obtention d'une pièce mécanique, par la mise en oeuvre des étapes suivantes : a) on réalise par compactage un demi-produit contenant un noyau et une enveloppe, ledit noyau et ladite enveloppe présentant entre eux une liaison métallurgique, ledit noyau étant réalisé dans un premier matériau présentant au moins une matrice métallique et ladite enveloppe étant réalisée dans un deuxième matériau présentant au moins une matrice métallique, lesdites matrices métalliques du premier et du deuxième matériaux présentant le mme métal de base et en l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé d'un

composite à matrice métallique comprenant des éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, b) on réalise le forgeage du demi-produit pour obtenir une ébauche, et c) on usine ladite ébauche pour aboutir à un produit fini formant ladite <BR> <BR> ,.<BR> pièce mécanique Concernant la réalisation de l'étape a), plusieurs solutions sont possible sans sortir du cadre de la présente invention.

Selon une première solution, ladite étape a) consiste à former conjointement le noyau et l'enveloppe par la technique de métallurgie des poudres. Selon cette technique, qui met en ouvre la compression d'une poudre dans une matrice, suivie d'un traitement thermique dit « frittage », il est ainsi possible d'obtenir une pièce métallique formant directement le demi-produit.

Cette première solution est en particulier bien adaptée à la situation dans laquelle on souhaite obtenir une pièce mécanique où lesdits éléments de renforcement représentent un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique progressif dans ledit premier matériau (noyau) et dans ledit deuxième matériau (enveloppe), depuis le centre dudit noyau vers la périphérie de ladite enveloppe, soit en diminuant depuis le centre, soit en augmentant depuis le centre, entre par exemple, un minimum de 0% à 10% et un maximum inférieur ou égale à 50% en poids.

Cette première solution ne se limite toutefois pas au cas de figure qui précède et il peut s'appliquer également aux deux cas mentionnés ci-après : - lesdits premier et deuxième matériaux sont formés dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, lesdits éléments de renforcement représentant un pourcentage en poids de la composition dudit composite à matrice métallique différent dans ledit noyau et dans ladite enveloppe, - l'un parmi lesdits premier et deuxième matériaux est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, l'autre parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé seulement de ladite matrice métallique.

Selon une deuxième solution, ladite étape a) consiste à réaliser successivement les sous-étapes suivantes : al) former une tige s'étendant selon une direction longitudinale dans ledit premier matériau, ladite tige étant destinée à former ledit noyau placé au coeur de la pièce mécanique ; a2) former un manchon s'étendant selon une direction longitudinale dans ledit deuxième matériau, ledit manchon étant destinée à former l'enveloppe de la pièce mécanique en entourant ledit noyau ; a3) introduire la tige dans le manchon pour former un ensemble, et a4) passer à travers un orifice de section réduite ledit ensemble pour diminuer au moins une dimension dudit ensemble selon une direction perpendiculaire à ladite direction longitudinale et afin de créer une liaison métallurgique entre ladite tige et le dit manchon.

Cette deuxième solution est en particulier bien adaptée à la situation dans laquelle on souhaite obtenir une pièce mécanique où lesdits éléments de renforcement ne sont présents que dans l'un parmi lesdits premier et deuxième matériaux, l'autre parmi lesdits premier et deuxième matériaux étant formé seulement de ladite matrice métallique. On privilégie alors la réalisation de celui parmi le noyau (premier matériau) et l'enveloppe (deuxième matériau) qui comporte les éléments de renforcement par la technique de métallurgie des poudres.

La sous-étape a4) de la deuxième solution de l'étape a), consiste à effectuer, de préférence, un laminage ou un filage de l'ensemble, c'est-à-dire par passages successifs, en force et à chaud, entre des paires de cylindres de plus en plus rapprochés ou dans des filières de section de plus en plus petite.

D'une manière générale, cette étape a) utilise une technique réalisant le compactage, en particulier la mise sous pression entre le noyau et l'enveloppe, soit au moment de leur formation conjointe (première solution), soit au moment de leur formation initiale en tant que pièces séparées (deuxième solution), de manière à créer entre les matériaux les constituant une liaison de type métallurgique engendrant une bonne interface.

II est entendu que cette liaison de type métallurgique forme un contact plus intime qu'une liaison mécanique, les premier et deuxième matériaux étant si proches que les forces inter-atomiques entrent en jeu.

Une telle interface permettra à la pièce mécanique de résister de manière satisfaisante aux différentes contraintes auxquelles elle est soumise.

Concernant la réalisation de l'étape b) de forgeage, plusieurs solutions sont possible sans sortir du cadre de la présente invention.

En effet, le forgeage consiste d'une manière générale en une opération métallurgique qui a pour objet de transformer les lingots en ébauches de forme déterminée par déformation d'un métal porté à une température où il est suffisamment malléable, la déformation étant obtenue soit par choc (pilon, mouton), soit par pression (presses avec matrice fermée) entre deux outils.

Selon une solution préférentielle, cette étape de forgeage consiste en un matriçage ou estampage. D'autres possibilités de forgeage peuvent également tre utilisées seules, ou en combinaison avec le matriçage : forgeage sous presse, par pilon...

En particulier, le procédé de fabrication selon la présente invention s'applique à un premier matériau qui est formé seulement de ladite matrice métallique qui comporte l'aluminium comme métal de base et à un deuxième matériau qui est formé dudit composite à matrice métallique comprenant lesdits éléments de renforcement dispersés dans ladite matrice métallique, ladite matrice métallique ayant l'aluminium comme métal de base et lesdits éléments de renforcement étant formés de particules de carbure de silicium (SiC) : ce choix préférentiel permet de bénéficier d'une très bonne interaction entre un alliage d'aluminium et des particules de SiC, comme il est expliqué dans US 6 135 195, pour un matériau dont le prix est plus faible que celui du titane.

En outre, le choix de l'aluminium comme métal de base permet de bénéficier de ses bonnes propriétés d'allongement, notamment pour l'étape de forgeage et également, dans le cas de la deuxième solution de l'étape a), lors de l'étape a4) de passage dans un orifice de section plus réduite (laminage ou filage), ainsi que de sa bonne tenue à la corrosion.

L'invention sera mieux comprise, et les caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description de modes de réalisation de la pièce mécanique selon l'invention donnée ci- dessous à titre d'exemple.

Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif.

Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en section longitudinale partielle d'un turboréacteur double-flux montrant une soufflante et un accélérateur illustrant à titre d'exemple des applications possibles de la pièce mécanique selon la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de l'agencement permettant la réalisation de l'une des étapes du procédé de fabrication selon la présente invention selon l'une des solutions possibles, - les figures 3 et 4 sont des vues en perspective d'aubes tronquées à leur extrémité radialement externe qui illustrent des applications possibles de la pièce mécanique selon la présente invention, et - la figure 5 est une vue en perspective partielle avec coupe selon la direction longitudinale d'une autre aube pouvant former la pièce mécanique selon la présente invention.

Un exemple des applications possibles de la pièce mécanique selon la présente invention est représenté à la figure 1 sous la forme d'un turboréacteur double-flux 100.

Ce turboréacteur 100 comprend une structure conventionnelle qui comporte différents éléments disposés axialement autour de l'axe longitudinal 102, en communication de fluide entre eux, à savoir notamment une soufflante 104 et un accélérateur 106.

Il est entendu qu'un tel turboréacteur comprend les autres éléments conventionnels d'une telle structure, à savoir un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, ces différents éléments supplémentaires n'étant pas représentés pour des raisons de clarté.

La soufflante 104 et l'accélérateur 106 sont menés en rotation par la turbine basse pression grâce à l'axe de rotor 108.

La soufflante 104 comprend une série d'aubes 110 s'étendant radialement qui sont montées sur un disque annulaire 112 : une seule de ces aubes apparaît sur la figure 1. Il est entendu que le disque 112 et les aubes 110 sont montés en rotation autour de l'axe 102 du moteur 100.

Le moteur 100 comporte en outre un carter de soufflante 114.

L'accélérateur 106 comprend plusieurs séries d'aubes mobiles 116 en rotation montées sur un disque 118 et entre lesquelles sont montées des séries d'aubes fixes 120.

La présente invention concerne l'obtention d'une pièce mécanique pouvant constituer en particulier chacune des aubes 110 de la soufflante 104 et/ou chacune des aubes mobiles 116 et/ou des aubes fixes 120 de l'accélérateur 106.

Egalement, la pièce mécanique selon la présente invention peut également constituer les aubes fixes et/ou mobiles d'autres éléments d'un turboréacteur, identique ou différent de celui illustré sur la figure 1, tel qu'un compresseur, en particulier un compresseur basse pression.

Comme il a été mentionné précédemment, il convient de rappeler que la pièce mécanique selon la présente invention peut également trouver application dans d'autres domaines que celui de l'aéronautique pour la formation d'éléments structurels devant résister mécaniquement tout en présentant une structure relativement légère.

Un exemple de réalisation du procédé de fabrication selon la présente invention permettant l'obtention des aubes mentionnées précédemment va maintenant tre décrit.

Dans cet exemple de réalisation non limitatif, on considère la réalisation d'une aube composé d'un noyau réalisé dans un premier matériau formé d'un alliage à base d'aluminium et d'une enveloppe réalisée dans un deuxième matériau formé d'un composite à matrice métallique dans lequel la matrice métallique est un alliage à base d'aluminium et les éléments de renforcement sont des particules de carbure de silicium (SiC).

Dans ce cas, est tout d'abord formée une tige 10 en aluminium par les techniques classiques de fabrication des alliages en aluminium.

Est également fabriqué un manchon 20 réalisé dans le deuxième matériau précité formant un composé à matrice métallique qui peut tre obtenu par la technique de métallurgie des poudres.

La prochaine étape consiste à introduire la tige 10 à l'intérieur du manchon 20 afin de former un ensemble 30 : il est clair qu'à ce stade il existe un jeu, voire un espace entre la surface extérieure de la tige 10 et la surface intérieure de la paroi du manchon 20.

Afin de solidariser entre eux la tige 10 et le manchon 20 de l'ensemble 30, tout en réalisant une bonne interface entre ces deux éléments, on choisit d'effectuer un filage qui est représenté sur la figure 2.

Sur cette figure 2, l'ensemble 30 apparaît comme étant introduit dans l'entrée 40 d'une filière 42. Cette entrée 40 présente une forme de tronc de cône avec un angle au centre a formant l'angle de réduction.

Cette entrée 40 présente un diamètre amont supérieur au diamètre extérieur du manchon 20, tandis que le diamètre aval de l'entrée 40 présente un diamètre inférieur au diamètre de la tige 10.

En conséquence, l'ensemble 30 est, lors du passage en force et à chaud au niveau de l'entrée 40 de la filière 42, réduit en section par allongement, une interface étant créée entre la tige 10 et le manchon 20 qui forment conjointement de cette manière un demi-produit complexe 32 à la sortie 44 de la filière 42.

Il est entendu que l'étape de filage illustrée sur la figure 2 peut comporter plusieurs passages successifs dans des filières présentant des diamètres de plus en plus petits.

Dans l'exemple de réalisation illustré, l'angle de réduction a est égal à 30°, cet angle de réduction pouvant varier d'une manière générale entre 1° et 45° et de préférence entre 5 et 35°.

De cette manière, on obtient une réduction de section entre l'ensemble 30 et le demi-produit complexe 32 de l'ordre de 10 à 70 % et, de préférence, entre 20 et 60 %.

On peut relever que cette technique de filage, notamment lorsqu'elle est effectuée par le passage successif dans des filières en série, permet, par la pression exercée entre les surfaces en contact par friction, une bonne cohésion entre les matériaux constituant le noyau et l'enveloppe.

Cet exemple de réalisation a été réalisé avec une tige 10 présentant un diamètre de 30 mm réalisée dans un alliage d'aluminium de série 2024 T4, tandis que le manchon 20 présentait un diamètre extérieur de 70 mm et un diamètre intérieur de 40 mm en étant réalisé dans un deuxième matériau formant un composite à matrice métallique, la matrice métallique étant un alliage d'aluminium de série 2024 T4 et l'élément de renforcement étant composé de particules de carbure de silicium d'une taille moyenne de 5, um à hauteur de 15 % en poids.

Un tel filage peut tre effectué à température ambiante ou bien à chaud, en particulier avec une température de l'ordre de 400°C Après le filage, l'étape ultérieure de l'exemple de réalisation décrit de manière détaillée consiste à effectuer un forgeage par matriçage en vue de donner la forme quasi-définitive de l'aube.

Ce matriçage est réalisé par des étapes successives dans des matrices tendant progressivement à présenter la forme définitive de l'aube dans des conditions de pression et de température adaptées aux matériaux pour maintenir une bonne interface et une bonne adhésion entre le noyau et l'enveloppe : une température de l'ordre de 430°C et une pression de l'ordre de 100 MPa ont notamment été utilisées.

A l'issue de ces étapes de forgeage par matriçage du demi- produit 32, on obtient une ébauche (non représentée) qui est ensuite usinée pour aboutir à un produit fini formant la pièce mécanique selon l'invention, en particulier une aube telle que celles qui sont représentées sur les figures 3 à 5.

Sur ces figures, l'aube 50 qui est représentée conformément à différentes formes comporte un noyau 52 réalisé dans le premier matériau constituant initialement la tige 10, tandis que l'enveloppe 54 entourant le noyau 52 est réalisée dans le deuxième matériau formant initialement le manchon 20 de l'ensemble 30 de la figure 2.

Comme on peut le voir sur les parties en coupe transversale des figures 3 et 4 ainsi que sur la zone en coupe longitudinale de la figure 5, l'aube 50 présente une régularité de répartition du premier matériau et du deuxième matériau entre le noyau 52 et l'enveloppe 54.

Ce résultat très satisfaisant est obtenu, contre toute attente, par des techniques relativement simples à mettre en oeuvre, ce qui génère des propriétés mécaniques homogènes, notamment dans les différentes parties du voile 50a de l'aube, ainsi qu'une continuité entre les propriétés mécaniques de l'aube entre la voile 50a et le pied 50b de l'aube (voir figure 5).

Dans cet exemple de réalisation, on comprend qu'on a placé l'alliage en aluminium dans la partie centrale de l'aube, ce qui permet de bénéficier des propriétés de flexion de l'aluminium alors qu'en surface, le composite à matrice métallique AI/SiC permet une plus grande rigidité et une meilleure tenue à l'impact et à l'érosion.

Il est bien entendu que, selon l'application à laquelle est destinée la pièce mécanique obtenue selon la présente invention, notamment de la partie requérant la rigidité la plus importante, on peut choisir de placer le composite à matrice métallique AI/SiC dans le noyau (au coeur de la pièce mécanique) ou bien dans l'enveloppe (en surface de la pièce mécanique).

La présente invention n'est pas limitée à l'utilisation d'éléments de renforcement sous la forme de particules de carbure de silicium, des particules d'alumine (Al203) ou des carbures métalliques, tels que le carbure de tungstène, le carbure de tungstène, le carbure de bore ou le carbure de titane, pouvant également tre utilisés.

Egalement, comme il a été exposé dans la partie d'introduction, la présente invention s'applique également à la réalisation d'une pièce mécanique réalisée entièrement en un composite à matrice métallique, lequel présente une composition progressive en éléments de renforcement depuis le centre du noyau vers la périphérie de l'enveloppe.