PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE UNA PIEZA METÁLICA REFORZADA CON FIBRAS CERÁMICAS.

Procedimiento de fabricación de una pieza metálica reforzada con fibras cerámicas,

según el cual se forma, en un cuerpo (2) metálico principal, que presenta una cara superior (21), un alojamiento para un inserto, se dispone un inserto (3) formado a partir de fibras con matriz metálica en el alojamiento, se coloca una tapadera metálica (4) sobre el cuerpo (2) principal de manera que se recubra el inserto (3), se suelda la tapadera sobre el cuerpo metálico sometido a vacío, se somete el conjunto a un tratamiento de compresión isostática en caliente y se mecaniza el conjunto tratado hasta la forma deseada, procedimiento caracterizado porque el alojamiento tiene la forma de una entalladura (23) con sección en L con dos caras (23P y 23S) perpendiculares entre sí, presentando la tapadera (4) una entalladura interna (43) con sección en L y de forma complementaria a la de la entalladura (23) del cuerpo metálico con dicho inserto (3), estando conformada la tapadera (4) exteriormente de manera que los esfuerzos de presión se ejerzan perpendicularmente a dichas caras (23P y 23S) de la entalladura (23)

Procedimiento de fabricación de una pieza metálica reforzada con fibras cerámicas.

La presente invención se refiere a la fabricación de piezas metálicas que incluyen refuerzos internos formados por fibras cerámicas y que comprende la incorporación de un inserto de material compuesto del tipo constituido por fibras cerámicas en una matriz metálica.

Dentro del objetivo de reducir la masa de las piezas metálicas al tiempo que se les asegura una resistencia más importante principalmente a la compresión, se conoce el incorporar fibras cerámicas en la masa. Se trata, por ejemplo, de fibras de carburo de silicio, SiC, que presentan una resistencia a la tracción y a la compresión muy superior a la de un metal como el titanio.

La fabricación de estas piezas pasa por la formación previa de insertos a partir de hilos cerámicos con matriz metálica que comprenden una fibra cerámica recubierta de metal. También son denominados fibras CMM o hilos recubiertos. El metal da la elasticidad y la flexibilidad necesarias para su manipulación.

Un procedimiento conocido de fabricación de tales piezas con refuerzo comprende la realización de un arrollamiento de hilo recubierto alrededor de un mandril. El arrollamiento es, a continuación, introducido en un contenedor o cuerpo principal metálico en el cual se ha mecanizado previamente una ranura que forma un alojamiento. La profundidad de la ranura es superior a la altura del arrollamiento. Una tapadera es colocada sobre el contenedor y soldada a su periferia después de someterla a vacío. La tapadera presenta un machón de forma complementaria a la de la ranura y su altura está adaptada a la del arrollamiento colocado en la ranura de forma que viene a llenar la ranura. Se procede después a una etapa de compresión isostática en caliente en el curso de la cual la tapadera es deformada y el arrollamiento es comprimido por el machón.

La técnica de compresión isostática en caliente consiste en disponer la pieza en un recinto en donde es sometida a una presión elevada, del orden de 1.000 bares, y a una temperatura igualmente elevada, del orden de 1.000 ºC durante varias horas.

Las fundas metálicas de los hilos recubiertos se sueldan entre sí y con las paredes de la ranura por difusión para formar un conjunto denso compuesto de aleación metálica en el seno de la cual se extienden las fibras cerámicas. La pieza obtenida es, a continuación, mecanizada hasta la forma deseada.

El procedimiento permite la fabricación de piezas aeronáutica de simetría axial tales como discos de rotor, discos de álabes monobloque, árboles, cuerpos de émbolos, cárteres, etc. Se realizan también piezas oblongas para constituir bielas, por ejemplo.

El mecanizado de la ranura en el cuerpo principal es difícil de realizar, principalmente, por razón de los radios pequeños en el fondo de la ranura. Este radio pequeño es necesario para permitir el alojamiento del inserto que tiene una sección rectangular. El mecanizado del machón correspondiente en la tapadera tampoco es fácil a causa de los ángulos que no se abren. Cuando, en particular, las piezas a realizar no son de simetría axial pero son largas, con una forma oval o bien con porciones rectilíneas, es difícil de obtener un ajuste preciso sobre las longitudes grandes. Esto es aún más difícil para los insertos formados con hilos recubiertos muy rígidos por razón de las fibras cerámicas que obligan a la realización de alojamientos en los cuales aquellos se adapten perfectamente.

En lugar de fabricar el inserto de forma separada y después trasladarlo a la ranura del cuerpo principal, el documento de patente francesa FR 2886290 a nombre de Snecma propone realizar, según una variante, el arrollamiento directamente sobre el cuerpo principal. En lugar de una ranura se disponen dos rebordes en aquél. El primero presenta una superficie de apoyo para el arrollamiento directo de un hilo recubierto. Esta superficie es paralela a la dirección del arrollamiento. Cuando se termina el arrollamiento, se reconstituye la ranura colocando una pieza sobre el cuerpo principal que es de forma complementaria a la de un segundo reborde que forma una grada con respecto al primer reborde. Después se dispone la tapadera con el machón sobre el inserto que se acaba de arrollar y se procede a la compactación del conjunto. Esta solución no resuelve más que parcialmente el problema de fabricación ya que el ensamblado sigue siendo complejo.

La solicitante se ha fijado como objetivo el mejorar el procedimiento de fabricación de tales piezas en el sentido de una simplificación de las etapas de la gama y una reducción de los costes.

De acuerdo con la invención, el procedimiento de fabricación de una pieza metálica reforzada con fibras cerámicas, según el cual se forma, en un cuerpo metálico que presenta una cara superior, un alojamiento para un inserto, se dispone, al menos, un inserto formado a partir de fibras con matriz metálica en el alojamiento, se coloca una tapadera metálica sobre el cuerpo metálico de forma que se recubra el inserto, se suelda la tapadera sobre el cuerpo metálico después de someterla a vacío, se somete el conjunto a un tratamiento de compresión isostática en caliente y se mecaniza el conjunto tratado hasta la forma deseada, está caracterizado porque el alojamiento tiene la forma de una entalladura con sección en L con dos caras perpendiculares entre sí, presentando la tapadera una entalladura interna con sección en L y de forma complementaria a la de la entalladura del cuerpo metálico con dicho inserto, estando conformada la tapadera exteriormente de manera que los esfuerzos de presión se ejerzan perpendicularmente a dichas caras de la entalladura.

Preferentemente, la entalladura del cuerpo metálico comprende una cara perpendicular a dicha cara superior y una cara paralela a dicha cara superior.

Al modificar así, con respecto al a técnica anterior, la geometría de las piezas a ensamblar, se dispone de un mejor acceso para el útil de mecanizado del alojamiento del inserto tanto para el cuerpo principal como para la tapadera, lo que tiene como resultado que estas operaciones sean menos delicadas de realizar y, por ello, menos onerosas. El número de piezas se reduce a dos lo que simplifica el ensamblado con respecto a la solución precedente. Por otro lado, esta geometría permite una aplicación de esfuerzos de presión según dos direcciones no paralelas contribuyendo a una compactación más eficaz. Es de resaltar que, en el caso de un inserto anular, la deformación del inserto es paralela a su eje.

Esta solución permite implementaciones diferentes. Según un primer modo de realización, se forma previamente el inserto por arrollamiento de un hilo recubierto y se coloca en la entalladura. Según otro modo de realización, se forma el inserto por arrollamiento de un hilo recubierto directamente en la entalladura, formando esta última el mandril de arrollamiento.

Esta solución permite también la realización de piezas diferentes. El inserto puede tener una forma anular. Puede también, según la geometría de la pieza a reforzar, formar un anillo de simetría axial o bien, incluso, para piezas de forma alargada, presentar al menos una porción rectilínea. El inserto puede, incluso, para piezas de forma alargada, no ser anular y estar formado por uno o más elementos rectilíneos.

Con más precisión, la sección transversal del arrollamiento es rectangular, una primera cara del arrollamiento viniendo a apoyarse contra una cara de la entalladura y una segunda cara del arrollamiento viniendo a apoyare contra la otra cara de la entalladura.

Ventajosamente, la tapadera presenta una porción de superficie de centrado que coopera con una cara de la entalladura, particularmente la cara de la entalladura del cuerpo principal perpendicular a la cara superior del mismo, para centrar y guiar la deformación de la tapadera sobre el cuerpo principal.

Se describe ahora la invención con más detalle haciendo referencia a los dibujos anexos, en los cuales La figura 1 representa un esquema de realización de una pieza con inserto según la técnica anterior.

La figura 2 muestra la solución de la técnica anterior tal y como se presenta en el documento de patente francesa FR 2886290 con dos rebordes.

La figura 3 muestra la solución de la invención con una entalladura a la vez sobre el cuerpo principal y sobre la tapadera Las figuras 4 y 5 son una simulación de la deformación de la tapadera y... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fabricación de una pieza metálica reforzada con fibras cerámicas, según el cual se forma, en un cuerpo (2) metálico principal, que presenta una cara superior (21) , un alojamiento para un inserto, se dispone un inserto (3) formado a partir de fibras con matriz metálica en el alojamiento, se coloca una tapadera metálica (4) sobre el cuerpo (2) principal de manera que se recubra el inserto (3) , se suelda la tapadera sobre el cuerpo metálico sometido a vacío, se somete el conjunto a un tratamiento de compresión isostática en caliente y se mecaniza el conjunto tratado hasta la forma deseada, procedimiento caracterizado porque el alojamiento tiene la forma de una entalladura (23) con sección en L con dos caras (23P y 23S) perpendiculares entre sí, presentando la tapadera (4) una entalladura interna (43) con sección en L y de forma complementaria a la de la entalladura (23) del cuerpo metálico con dicho inserto (3) , estando conformada la tapadera (4) exteriormente de manera que los esfuerzos de presión se ejerzan perpendicularmente a dichas caras (23P y 23S) de la entalladura (23) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, según el cual la entalladura (23) del cuerpo metálico comprende una cara (23P) perpendicular a la cara superior (21) del cuerpo metálico principal (2) y una cara (23S) paralela a la cara superior (21) de dicho cuerpo (2) .

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, según el cual se forma previamente el inserto (3) por arrollamiento de un hilo recubierto y se coloca el mismo en la entalladura (23) del cuerpo metálico principal (2) .

4. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, según el cual se forma el inserto por arrollamiento de un hilo recubierto directamente en la entalladura (23) del cuerpo metálico principal, formando este último un mandril de arrollamiento.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 o 4 según el cual el inserto tiene una forma anular.

6. Procedimiento según la reivindicación precedente según el cual el inserto forma un anillo de simetría axial.

7. Procedimiento según la reivindicación 5, según el cual el anillo formado por el inserto presenta al menos una porción rectilínea.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 7 en el cual la sección transversal del arrollamiento es rectangular, viniendo a apoyarse una primera cara del arrollamiento contra una cara de la entalladura (23) del cuerpo metálico principal (2) y viniendo a apoyarse una segunda cara del arrollamiento contra la otra cara de la entalladura (23) .

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la tapadera presenta una porción de superficie de centrado que coopera con una cara de la entalladura (23) del cuerpo metálico principal, para centrar y guiar la deformación de la tapadera sobre el cuerpo principal.

10. Procedimiento según la reivindicación precedente siendo la cara (23P) perpendicular a la cara superior (21) del cuerpo metálico principal, en el que la porción de superficie de centrado coopera con dicha cara (23P) de la entalladura perpendicular a la cara superior (21) de aquel.