MX2007015090A - Procedimiento y sustrato para la elaboracion de piezas de material compuesto por densificacion de infiltracion de vapor quimico y piezas resultantes. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a una pieza de material compuesto elaborada al formar una preforma fibrosa (20), formando agujeros (22) que se extienden en la preforma de al menos un lado de la misma, y densificando la preforma con un aglomerante formado al menos parcialmente por una infiltracion de vapor quimico en fase gaseosa (IFQ). Los agujeros (22) se forman al remover el material de los mismos mediante la ruptura de las fibras, por ejemplo, por maquinado de chorro a alta presion, la colocacion de la fibra en la preforma proporcionada con agujeros que no se modifican sustancialmente en relacion a la colocacion original antes de la formacion de los agujeros. El gradiente de densificacion, de esta manera, se reduce altamente, y puede obtenerse una densidad en un ciclo de densificacion unica el cual, en la tecnica anterior, requirio de diversos ciclos separados mediante decrustacion intermedia.

Description

PROCEDIMIENTO Y SUSTRATO PARA LA ELABORACIÓN DE PIEZAS DE MATERIAL COMPUESTO POR DENSIFICACIÓN DE INFILTRACIÓN DE VAPOR QUÍMICO Y PIEZAS RESU LTANTES Antecedentes de la Invención La presente invención se refiere a la elaboración de piezas de material compuesto que consta de la formación de un sustrato fibroso y la densificación de aquel por un aglomerante formado por un procedimiento de tipo de infiltración química en fase gaseosa, o CVl ("Infiltración de Vapor Químico"). Un dominio particular, pero no exclusivo, de aplicación de la invención es la elaboración de discos de freno de material compuesto carbono/carbono (C/C), particularmente para los frenos aeronáuticos que constan de un ensamblaje de discos co-axiales alternativamente estatores y rotores. La invención es, sin embargo, aplicable a la elaboración de otras piezas de material compuesto C/C o de otro material compuesto, particularmente de material compuesto en aglomerante cerámico (CMC). La densificación de sustratos porosos, tales como los sustratos o preformas fibrosas, por procedimientos de tipo CVl se conoce bien.

En un procedimiento CVl clásico, los sustratos a densificar se colocan en un horno. Una fase gaseosa provocada por una reacción se admite en el horno para depositar el material constitutivo del aglomerante en el seno de la porosidad de los sustratos por descomposición de uno o varios componentes de la fase gaseosa, o reacción entre varios componentes, en las condiciones de temperatura y presión determinadas. Se conoce también un procedimiento según el cual un sustrato a densificar se coloca en un reactor donde se calienta en presencia de un precursor del material constitutivo del aglomerante. El precursor se presenta en el estado líquido en el reactor y el sustrato se calienta por ejemplo por un paso de una corriente eléctrica o por acoplamiento electromagnético con un inductor, el sustrato está en fibras conductoras de electricidad tales como las fibras de carbono. Un tal procedimiento se describe particularmente en los documentos US 4 472 454, US 5 397 595 o US 5 389 1 52 y a veces se designa por densificación por calefacción. El precursor se evapora al contacto del sustrato calentado, aquí se considerará que este procedimiento es un procedimiento de densificación de tipo CVl . En otros términos, por procedimiento de tipo CVl , o procedimiento de ti po de infiltración química en fase gaseosa, se designa en la presente descripción y en las reivindicaciones un procedimiento tradicional de infiltración química en fase vapor o un procedimiento de densificación por calefacción. Una dificultad mayor de estos procedimientos de tipo CVl es minimizar el gradiente de densificación al seno de los sustratos para obtener piezas con la menos posible de inhomogeneidad de propiedades en su volumen. En efecto, el depósito del aglomerante tiene tendencia a formarse preferentemente en las partes superficiales de los sustratos encontrados primero por la fase gaseosa provocada por una reacción. Resulta un empobrecimiento de la fase gaseosa que llega a difundirse al núcleo de los sustratos y una obturación prematura de la porosidad de las partes superficiales del sustrato que reduce progresivamente las posibilidades de difusión en núcleo de la fase gaseosa. Un gradiente de densificación se establece por consiguiente entre las partes superficiales y el núcleo de los sustratos. Es por eso que, particularmente para la elaboración de piezas gruesas, es en práctica necesaria, después de haber alcanzado un cierto grado de densificación, interrumpir el procedimiento para retirar los sustratos paralelamente densificados afín de realizar una maquinación de superficie, o decrustación, que permite re-abrir la porosidad superficial. Le densificación puede entonces perseguirse, con un acceso más cómodo al núcleo de los sustratos para la difusión de la fase gaseosa provocada por una reacción. En el caso por ejemplo de la elaboración de discos d frenos, se procede generalmente a al menos dos ciclos de densificación CVl (ciclos 11 e 12) separados por una decrustación. En práctica, se observa sin embargo un gradiente de densificación sobre las piezas finalmente obtenidas. Se conoce desde luego, para evitar la generación de un gradiente de densificación y evitar eventualmente las operaciones de decrustación, poner en práctica un procedimiento de densificación CVl a gradiente de temperatura, es decir calentando los sustratos de manera no uniforme. Un calentamiento no uniforme por acoplamiento directo entre un i nductor y uno o varios sustratos anulares a densificar se describe en los documentos US 5 846 61 1 y EP 0 946 461 . El depósito del aglomerante en las zonas de los sustratos los menos fácilmente accesi bles por la fase gaseosa se favorece llevando estas zonas a una temperatura más elevada que aquella de otras partes de sustratos. Sin embargo, esta técnica se limita a ciertas formas y naturalezas de sustratos y a ciertos colocaciones de cargamentos de sustratos en el horno. Se propuso en el documento US 5 405 560 favorecer el acceso de la fase gaseosa provocada por una reacción al seno de sustratos constituidos por preformas fibrosas anulares para discos de freno de material compuesto C/C arreglando pasos en forma de agujeros que se extienden a través de las preformas, entre sus lados opuestos. Estos agujeros se arreglan por la introducción de agujas que empujan las fi bras de las preformas si n deteriorarlas. Durante l a densificación CVl , los agujeros ofrecen a la fase gaseosa un trayecto corto para atender las partes centrales de las preformas. Ensayos efectuados por el depositante han mostrado sin embargo los l ímites de esta técnica en la mi nimización del gradiente de densificación, como se descri be más adelante. El documento paralelo FR 2 616 779 menciona desde luego la eventualidad de una formación de agujeros por un fl uido bajo presión parcialmente destructor de fi bras, pero recomienda evitar un deterioro de las fibras. La formación de agujeros en el boceto de discos de freno de material compuesto C/C se describe también en el documento FR 2 144 329. Sin embargo, este documento se refiere a la densificación de preformas fibrosas de discos de freno por vía líquida, es decir por impregnación de las preformas por una resina precursora de carbono, aquella resina se retícula (endurece) después se carboniza o grafitiza para formar el aglomerante de carbono. Los agujeros se forman después de endurecer la resina y antes de la carbonización o grafitización y evitar así que el gas sea atrapado en el aglomerante de carbono. Se trata de un procedimiento totalmente diferente a la densificación CVl .

Objeto de la Invención La invención tiene por objeto facilitar la difusión de la fase gaseosa provocada por una reacción durante un procedimiento de densificación de tipo CVl , por una parte, realizar una densificación cuasi uniforme de sustratos fibrosos para la fabricación de piezas de materia compuesto y, por otra parte, disminuir el número de ciclos de densificación separados por una fase de decrustación intermedia, incluso realizar una densificación en un solo ciclo, una reabertura de la porosidad por una fase de decrustación intermediaria no siendo más indispensable. Este objeto se alcanza gracias a un procedimiento que comprende la elaboración de un sustrato fibroso, la formación de agujeros que se extienden en el sustrato a partir de al menos una superficie de aquel y la densificación del sustrato por un aglomerante formado al menos parcialmente por un procedimiento de tipo de infiltración química en fase gaseosa, procedimiento en el cual , conforme a la invención, los agujeros se forman en el sustrato por retirada de la materia fi brosa de aquél con ruptura de fi bras, la colocación de las fibras en el sustrato proporcionado con agujeros que es sensiblemente no modificada en relación a la colocación inicial antes de de la formación de agujeros. Como esto se mostrará más adelante, la formación de agujeros en el sustrato al retirar materia con ruptura de vibras permite de manera sorprendente obtener una densificación cuasi uniforme de sustrato, aunque tal resultado está lejos de obtenerse cuando los agujeros se forman por inserción de agujas que tienen un efecto no destructivo sobre las fibras, como en el arte anterior. Además es posible obtener en un solo ciclo un grado de densificación que, en el arte anterior, requiere varios ciclos separados por decrustación intermedia. Los agujeros pueden formarse por maqui nación mecánica al chorro de agua bajo alta presión. Según otro modo de realización del procedimiento, los agujeros pueden formarse por acción térmica localizada teniendo un efecto destructivo sobre la materia de fibras, eventualmente en unión con una exposición a un medio oxidante. Esto puede ser el caso particularmente para las fibras de carbono. La acción térmica localizada puede produci rse por radiación láser. Según todavía otros modos de elaboración del procedi miento, los agujeros pueden formarse por maquinación por herramienta a muy grande velocidad tal como una broca, fresa o un taladrador, o por recorte con cuchillo o con un punzón o sacabocados, o también por electro-erosión. Los agujeros pueden atravesar el sustrato, entre dos superficies de aquel o ser agujeros tuertos que se emplean sobre una superficie solamente del sustrato. Por otro lado, los agujeros pueden formarse en dirección ortogonal en relación a una superficie del sustrato sobre el cual desembocan, o en dirección no ortogonal . En el caso de un sustrato que forma una preforma anular para un disco de freno, los agujeros formados pueden ser agujeros que desembocan sobre uno al menos de los lados principales de la preforma perpendiculares en el eje de aquel, o agujeros que desembocan sobre la superficie periférica externa y eventualmente sobre la superficie interna, los agujeros que están entonces orientados en dirección radial o sensiblemente radial, o una combinación de estos dos tipos de agujeros. El diámetro medio de los agujeros se elige para evitar que se obturen por el depósito de material del aglomerante antes del fin del procedimiento de densificación de tipo CVl . Un diámetro medio comprendido aproximadamente entre 0.05 mm y 2 mm puede por ejemplo elegirse. Los agujeros son de diámetro pequeño y, después de la densificación, no tienen ninguno papel funcional , tal como un papel de re-enfriamiento durante una utilización ulterior en el caso de un disco de freno. La densidad de los agujeros se elige suficiente para ofrecer un trayecto corto en la fase gaseosa provocada por una reacción hacia todas las partes del sustrato que se desea densificar de modo cuasi uniforme. Una densidad comprendida aproximadamente entre 0.06 agujeros/cm2 y 4 agujeros/cm2 puede por ejemplo elegirse, esta densidad se mide en número de agujeros por unidad de superficie en un plan mediano o una superficie mediana del sustrato. La expresión de otro modo, de la distancia, o no, entre ejes de agujeros cercanos se comprende de preferencia aproximadamente entre 0.5 cm. y 4 cm.

La densidad de los agujeros en el sustrato fibroso puede ser constante afín de ofrecer un corto trayecto en la fase gaseosa provocada por una reacción del mismo modo hacia todas las partes del sustrato a densificar. En variante, esta densidad puede ser variable y se podrá entonces elegir una densidad más importante en las partes del sustrato donde, en la ausencia de agujeros, el trayecto de la fase gaseosa es más largo y la aportación de aglomerante es más débil al núcleo del sustrato, y elegir una densidad más reducida, incluso nula, en las partes del sustrato donde, igual en la ausencia de agujeros, la aportación de aglomerante es suficientemente elevado. Así, en el caso de sustratos que forman preformas anulares para los discos de freno, en particular discos de freno aeronáutico, con agujeros que desembocan sobre uno al menos de los lados principales del sustrato, la densidad de los agujeros podrá ser variable y decreciente entre una parte central del sustrato que corresponde a una pista de fricción del disco, y las partes del sustrato adyacentes a sus superficies circunferenciales externa e interna. Se podrá igual no formar agujeros más que en la parte central del sustrato que corresponde a la pista de fricción del disco de freno a realizar. La invención apunta así a un sustrato fibroso para la elaboración de una pieza de material compuesto, que consta de agujeros que se extienden en el sustrato a partir de al menos una superficie de aquel, sustrato en el cual la densidad volumétrica de las fibras en la cercanía de las paredes de los agujeros del sustrato no es sensiblemente superior a la densidad volumétrica de las fibras en otras partes del sustrato. Según una particularidad del sustrato, los agujeros se delimitan por las zonas límites de ruptura o de eliminación de fibras. La invención apunta también a una pieza de material compuesto que consta de un refuerzo fibroso densificado por un aglomerante obtenido al menos parcialmente por un procedimiento de tipo de infiltración química en fase gaseosa y que presenta agujeros que se extienden en la pieza a partir de al menos una superficie de aquel , pieza en la cual, el refuerzo fibroso se forma por un sustrato tal como se define más arriba, o pieza en la cual la densidad volumétrica de las fibras del refuerzo en la cercanía de las paredes de los agujeros no es sensiblemente superior a la densidad volumétrica de las fibras en otras partes de la pieza.

Breve Descripción de los Dibujos La invención será mejor comprendida en la lectura de la descripción hecha a continuación, a manera indicativa pero no limitativa, en referencia a los diseños anexados, en los cuales: - la figura 1 muestra las etapas sucesivas de elaboración de una pieza de material compuesto según un modo de puesta en práctica de un procedimiento conforme a la invención; la figura 2 muestra esquemáticamente, en perspectiva, una preforma fibrosa anular de disco de freno en la cual los agujeros se forman; la figura 3 es una vista parcial en corte a escala ampliada según el plano ll l de la figura 2; las figuras 4 a 6 son vistas en corte que muestran variantes de formación de agujeros que desembocan sobre al menos un lado principal de una preforma fibrosa anular de disco de freno; las figuras 7 a 10 muestran variantes de colocación de agujeros en la superficie de un sustrato fibroso; las figuras 1 1 y 12 son vistas que muestran variantes de formación de agujeros que desembocan al menos sobre el lado periférica externo de una preforma anular de disco de freno; la figura 13 muestra esquemáticamente un disco de freno obtenido después de la densificación; CVl y maquinación final, con una preforma tal como aquella de la figura 2; la figura 14 es una vista en plano de una preforma fibrosa de disco rotor de freno aeronáutico en el cual los agujeros se formaron con una densidad variable; la figura 15 muestra muy esquemáticamente una carga en montón de preformas fibrosas anulares de discos de freno en un horno de densificación CVl; y - la figura 16 muestra las curvas que representan la variación, entre las circunferencias interior y exterior, de la densidad de un disco obtenido después de la densificación de la preforma de la figura 14, y a modo comparativo, de la densidad de un disco obtenido después de la densificación de una preforma semejante en la cual los agujeros no se formaron.

Descripción Detallada de Modos de Realización de la Invención Una primer etapa 10 del procedimiento mostrado en la figura 1 consiste en realizar un sustrato fibroso tridimensional (3D), o preforma fibrosa, que tenga una forma cercana a aquella de una pieza de material compuesto a obtener. Las técnicas de elaboración de tales preformas fibrosas se conocen bien. Es posible partir de elementos fibrosos unidimensionales (1 D) tales como alambres o cables que son bobinados sobre una forma o un mandril o que se utilizan para formar un sustrato 3D directamente por tejido, labor de punto o trenzado tridimensionales. Se puede también partir de texturas fibrosas bidimensionales (2D) tales como los tejidos, punto, o trenzas en llano, rotuladores delgados, capas unidireccionales (UD) formadas de alambres o cables paralelos entre ellos, o también capas multidireccionales (nD) formadas de capas UD sobrepuestas en direcciones diferentes y unidas entre ellas, por ejemplo, por agujeteado ligero o por costura. Los estratos formados de tales texturas 2D están sobrepuestos por bobinado sobre una forma o un mandril o por revestimiento sobre una forma o un soporte, y son unidos entre ellos por ejemplo por agujeteado, por costura o por implantación de alambres a través de los estratos, para obtener un sustrato 3D. Un sustrato 3D puede aún obtenerse bajo forma de rotulador grueso realizado pro agujeteado de fibras discontinuas orientadas aleatoriamente. Un sustrato 3D así obtenido puede utilizarse directamente como preforma fibrosa de una pieza a obtener. Se puede también formar una preforma fibrosa deseada por corte de un sustrato 3D a fin de obtener la forma debida. Las fibras constitutivas de la preforma se eligen en función de la aplicación de la pieza de material compuesto a realizar. En el caso de materiales compuestos termoestructurales, es decir de materiales que tienen buenas propiedades mecánicas y una capacidad a conservarlas a temperaturas elevadas, las fibras del refuerzo fibroso del material son típicamente de carbono o de cerámica. La preforma puede realizarse a partir de tales fibras, o a partir de fibras de precursor de carbono o de cerámica que pueden ser más aptas para soportar diversas operaciones textiles para la elaboración de sustratos fibrosos 3D. En este último caso, la transformación del precursor de carbono o de cerámica se realiza después de la formación del sustrato o de la preforma, habitualmente por tratamiento térmico. Una segunda etapa 12 del procedimiento consiste en formar en la preforma agujeros destinados a facilitar el acceso de una fase gaseosa provocada por una reacción al núcleo de la preforma durante una densificación de tipo CVl ulterior. Cuando la preforma se realiza en fibras de un material obtenido por transformación de un material precursor, los agujeros pueden formarse en la preforma después de la transformación del precursor o antes de esta transformación. En el último caso, se tomará en cuenta una retirada dimensional eventual durante la transformación del precursor para obtener dimensiones de agujeros deseados. Las figuras 2 y 3 muestran una preforma fibrosa anular 20 de fibras de carbono para fabricación de un disco de freno de material compuesto C/C. Tal preforma puede obtenerse por recorte de un sustrato fibroso 3D en forma de placa realizada por ejemplo por sobreposición y agujeteado de estratos de tejido o de capas unidireccionales o multidireccionales de fibras de poliacrilonitrilo (PAN) preoxidado, precursor de carbono. La preforma puede también obtenerse por sobreposición y agujeteado de estratos anulares recortados en tejidos o capas unidireccionales o multidireccionales de fibras de PAN preoxidado. Después de la formación de la preforma anular en fibras de PAN preoxidado, la transformación del PAN preoxidado en carbono se realiza por tratamiento térmico. Se podrá referirse por ejemplo a los documentos US 4 790 052 y US 5 792 715. Los agujeros 22 se forman en la preforma 20 paralelamente a su eje 21 y se extienden sobre todo su grosor entre los lados principales opuestos 20a y 20b sobre los cuales desembocan, lados que son perpendiculares al eje 21 . En variante, como se mostró en la figura 4, los agujeros tuertos 22a, 22b se forman en la preforma, los agujeros 22a desembocan únicamente sobre el lado 20a mientras que los agujeros 22b desembocan únicamente sobre la lado 20b. Se nota sin embargo que los agujeros 22a, 22b se extienden sobre una muy gran parte del grosor de la preforma. Según otra variante, los agujeros pueden formarse en sesgo, es decir con sus ejes que forman un ángulo no nulo en relación a lo normal en las lados 20a, 20b o en el eje de la preforma 20, que se trata de agujeros que atraviesan 22' (figura 5) o de agujeros tuertos 22'a, 22'b (figura 6). En la figura 2, los agujeros 22 se disponen en intervalos regulares a lo largo de círculos concéntricos. Podrían disponerse a lo largo de una línea en espiral . Además, que las preformas fibrosas 20 sean anulares o que tengan otras formas, los agujeros 22 podrán disponerse según aún otros motivos, por ejemplo en las vértices de cuadrángulos (figura 7), en los vértices y en los centros de cuadrángulos (figura 8), en los vértices de hexágonos (figura 9), o en los vértices de triángulos equiláteros (figura 10). Para una densidad de agujeros dado, esta última disposición es la más favorable para que el trayecto de una fase gaseosa hacia todo el punto de la preforma, a partir de agujeros, sea mínimo. Las figuras 1 1 y 12 ilustran otro modo de realización según el cual se forman los agujeros que desembocan no sobre uno y/u otro de los lados principales 20a, 20b de la preforma 20, sino sobre la superficie periférica o circunferencial externa 20c y, eventualmente, sobre la superficie circunferencial interna 20d, los agujeros se extienden en dirección radial o sensiblemente radial. En el caso de la figura 1 1 , los agujeros 22c, se forman en la parte mediana del disco. Los agujeros desembocan sobre la superficie externa 20c y se extienden radialmente sobre la parte más grande de la distancia entre la superficie 20c y la superficie circunferencial interna 20d, sin desembocar en esta última. En el caso de la figura 12, los agujeros 22d, 22e se forman e la parte mediana del disco, los agujeros 22d que son agujeros que atraviesan se extienden radialmente entre la superficie 20c y la superficie 20d mientras que los agujeros 22e son agujeros que no atraviesan que desembocan únicamente sobre la superficie 20c y se extienden radialmente sobre una parte, aproximadamente la mitad, de la distancia entre las superficies 20c, 20d. Los agujeros 22e alternan con los agujeros 22d y apuntan a limitar la heterogeneidad de la densidad de agujeros entre las superficies 20c, 20d. Para la misma razón, los agujeros intermediarios de profundidad limitada podrían también preverse en el caso de la figura 1 1.

Aunque las figuras 1 1 y 12 muestran agujeros que forman una sola hilera en la parte mediana del disco, se podrá desde luego, en función del grosor del disco, prever varias hileras de agujeros. Según una característica del procedimiento conforme a la invención, los agujeros se forman en la preforma por retirada de materia. Se puede utilizar para este efecto una técnica de perforación por chorro de agua bajo presión que puede utilizarse para formar agujeros que atraviesan o agujeros tuertos. El agua utilizada puede o no cargarse de partículas sólidas. La perforación puede realizarse en uno o varios impulsos de chorros de agua, o de manera continua. Cuando el diámetro de los agujeros es relativamente grande en relación a aquel del chorro, la perforación de un agujero puede realizarse por afinado, es decir por recorte a lo largo de la circunferencia de los agujeros a realizar. Según la puesta en práctica de la técnica de perforación, los agujeros pueden presentar una forma ligeramente troncocónica como se muestra en las figuras 4 y 6. El diámetro de los agujeros es entonces creciente a partir de la lado del lado del cual la maquinación por chorro de agua se practica en razón de una dispersión de chorro de agua o principalmente porque el agua cargada de los restos sólidos de elaboración es más abrasivo. En el caso de los agujeros que atraviesan, aproximadamente 50% de los agujeros se elaboran entonces a partir de un lado y los otros agujeros a partir del otro lado a manera a tener una densidad de vacíos creados por los agujeros sensiblemente uniformes en todo el grosor de la preforma. En el mismo objetivo, en el caso de la figura 4, aproximadamente el mismo número de agujeros se forman a partir de cada lado de la preforma. Otra técnica posible de formación de agujeros, que conviene en el caso donde el material de las fibras es eliminabie por el calor, es producir una acción térmica localizada, particularmente por radiación láser. Con en particular de las fibras de carbono, esta acción térmica bajo medio oxidante, por ejemplo bajo aire, permite una eliminación por oxidación de la materia de las fibras. Las fuentes láser de diferentes tipos pueden utilizarse, por ejemplo del tipo en dióxido de carbono o de tipo YAG. La utilización de una radiación láser permite un control de la profundidad de los agujeros, en el caso de agujeros que no atraviesan, permite una elaboración de agujeros por afinado, y permite controlar fácilmente la orientación de los agujeros. Otras técnicas aún son utilizables para formar los agujeros por retirada de materia. Se podrá haber recurrido a las técnicas de maquinación por herramienta arrastrada a gran velocidad, tal como broca, taladrador, o fresa, en el recorte por cuchillo, punzón, o sacabocados, o en electro-erosión. Tales técnicas de maquinación se conocen bien. La formación de los agujeros por retirada de material por medio de las técnicas mencionadas antes tiene un efecto destructivo sobre las fibras de la preforma pero sin modificar la colocación de las fibras en la cercanía de las paredes de los agujeros en relación a la colocación inicial antes de la formación de los agujeros. Así, la materia situada inicialmente en los emplazamientos de los agujeros que están ventajosamente totalmente retirados o eliminados, los agujeros formados se delimitan por zonas límites de ruptura o de eliminación de las fibras u la densidad volumétrica de las fibras de la preforma en la cercanía de las paredes de los agujeros no se aumenta, contrariamente e lo que será el caso si los agujeros se forman por inserción de agujas que empujan las fibras en las zonas de paredes de los agujeros. Durante el procedimiento ulterior de densificación de tipo CVl , el acceso de la fase gaseosa provocada por una reacción al núcleo del material de la preforma fibrosa no se limita a través de las paredes de los agujeros, en comparación con las superficies externas de la preforma, como sería el caso si las fibras fueran empujadas en las zonas de las paredes de los agujeros durante la formación de los agujeros que conducen entonces a un aumento local de la densidad volumétrica de fibras a la superficie de los agujeros y a una obturación prematura de las paredes de los agujeros durante la densificación. Tal obturación prematura de las paredes de los agujeros, que privaban a estos de su eficacia, se evita así durante el curso del procedimiento de densificación. En la preforma, así como en la pieza de material compuesta obtenida después de la densificación por procedimientos de tipo CVl, la densidad volumétrica de fibras, en la cercanía de las paredes de los agujeros, no es sensiblemente superior a la densidad volumétrica de fibras en otras partes de la preforma y de la pieza. No se crea así una inhomogeneidad en las propiedades del material compuesto.

El diámetro medio de los agujeros se elige suficientemente grande para evitar que se obturen antes del final de la densificación del tipo CVl y no completar entonces más su función, pero todo quedando limitado para no afectar el comportamiento de la pieza de materia compuesta obtenida después de la densificación, y esto tanto que a partir de un cierto valor de diámetro, el acceso para la fase gaseosa no es realmente mejorada igual al final del procedimiento de tipo CVl . Este diámetro medio podrá pues variar en función del grosor de aglomerante a depositar sobre las fibras, las dimensiones de la pieza a realizar y de utilización de este. De una manera general, y en particular para las preformas de discos de freno aeronáuticas, el diámetro medio de los agujeros podrá elegirse igual a un valor comprendido ente aproximadamente 0.05 mm y 2 mm. La densidad de los agujeros se elige suficiente, en unión con su diámetro, para ofrecer un trayecto corto a la fase gaseosa provocada por una reacción no importa hacia cual parte de la preforma durante la densificación de tipo CVl , pero todo quedando limitado para no afectar el comportamiento de la pieza en materia compuesta obtenida después de la densificación. Esta densidad podrá adaptarse a las dimensiones de la pieza a realizar y a su utilización.

De una manera general, y en particular para las preformas de discos de freno aeronáuticos, la densidad de los agujeros podrá elegirse igual a un valor comprendido entre aproximadamente 0.06 agujeros/cm2 y 4 agujeros/cm2. En el caso de las figuras 2 a 6, esta densidad se mide en un plano mediano de la preforma para cubrir los casos donde los agujeros tuertos se forman. Puede medirse también sobre un lado en el caso de los agujeros que atraviesan como en las figuras 3 y 5. En el caso de las figuras 1 1 y 12, la densidad es no constante y se podrá entonces tomar en cuenta una densidad mediana. Dicho de otra manera, se elige de preferencia para la distancia , o no, entre ejes de agujeros cercanos, un valor comprendido entre 0.5 cm y 4 cm. En el caso de las figuras 1 1 y 12, se trata de un no mediano. El diámetro de los agujeros en una misma preforma podrá ser constante o no. Igual , la densidad de los agujeros en una misma preforma podrá ser constante o variable. Después de la formación de agujeros, la densificación de la preforma se realiza por un procedi miento de ti po CVl (etapa 14). Los procedimientos de densificación de infiltración de tipo CVl por los aglomerantes de carbono o cerámica se conocen bien. Se utiliza un precursor adaptado a la naturaleza del material de aglomerante a depositar. Según los casos, en particular en función del grosor de la preforma a densificar y de la densidad a alcanzar, una decrustación al menos de los lados expuestos de la preforma podrá o no ser deseable. Si tal decrustación se realiza, la etapa 14 comprende un primer ciclo de densificación 11 seguido de una maquinación de superficie de la preforma y de un segundo ciclo de densificación 12. La figura 13 muestra un disco de freno 26 tal como el obtenido después de la densificación de tipo CVl de una preforma tal como aquella de la figura 2 y elaborada en las dimensiones finales con formación de muescas 26c y espigas 26d que permiten la unión mecánica del disco. Se trata en este ejemplo de un disco estator para freno de avión que tiene dos lados de fricción opuestos 26a, 26b. Se notará que los agujeros 28 que corresponden a los agujeros formados en la preforma son visibles. Sin embargo, en razón de su débil diámetro, los agujeros no juegan un papel funcional , tal como una función de re-enfriamiento, durante la utilización ulterior del disco de freno. En el ejemplo ilustrado pro las figuras 2 y 7, los agujeros se forman en todo el volumen. Se podrá en variante limitar la formación de los agujeros en ciertas zonas de la preforma o tener una densidad más grande de agujeros en ciertas zonas, por ejemplo, en el caso de un disco de freno, las zonas que corresponden a los lados de fricción, y eventualmente las zonas que corresponden a las espigas de unión mecánica del disco. Así, la figura 14 muestra esquemáticamente un disco de freno de avión 26' antes de la maquinación final, tal como se obtuvo después de la densificación de una preforma anular en la cual los agujeros se formaron con una densidad variable, los agujeros que son agujeros que atraviesan paralelos al eje del disco y se abren sobre los lados principales de la preforma. Como lo muestra la disposición de los agujeros 28' que subsisten después de la densificación, la densidad de los agujeros formados en la preforma era máxima al nivel de la pista de fricción del disco, en la parte central de este, con disminución de esta densidad entre esta parte central y las partes adyacentes a las superficies circunferenciales interna y externa del disco. Se ha favorecido así una densificación uniforme en la parte del disco útil para el frenado. En ciertos casos, se podrá considerar la formación de agujeros que apuntan a favorecer la densificación también en las partes de la preforma diferentes a aquellas que corresponden a la pista de fricción del disco, por ejemplo en las partes de la preforma que corresponde a los relieves o espigas formados en la parte circunferencial interna o externa para la unión mecánica del disco con un órgano fijo o rotativo. Aunque se haya considerado el caso de preformas fibrosas anulares para discos de freno, es claro que la invención se aplica a todos los tipos de preformas destinadas a la elaboración de piezas de material compuesto, en particular piezas gruesas para las cuales el problema de una densificación uniforme se coloca. Además, la invención se aplica independientemente de la naturaleza de las fibras de las preformas y del aglomerante depositado para las densificaciones por procedimiento de tipo CVl. Se notará todavía que la densificación de la preforma fibrosa perforada según la invención puede constar de una primera fase de densificación parcial por vía líquida antes de una segunda fase de densificación de tipo CVl. La densificación por vía líquida, como esta se conoce bien, consiste en realizar al menos un ciclo de impregnación de la preforma por una composición líquida que contiene un precursor líquido del material del aglomerante. El precursor es típicamente una resina, por ejemplo una resina orgánica precursora de carbono. Después del secado, para eliminación de un solvente eventual, y polimerización de la resina, un tratamiento térmico de transformación del precursor se realiza. Eiemplo 1 Las preformas anulares fibrosas en fibras de carbono para discos de freno aeronáutico de material compuesto C/C se realizaron de la manera siguiente. Capas multidireccionales se obtuvieron por sobreposición de tres capas unidireccionales en fibras de PAN preoxidado haciendo entre ellas ángulos de ± 60° y unidas entre ellas por agujeteado. Las capas multidireccionales fueron sobrepuestas y agujeteadas al mismo tiempo de su superposición para obtener una placa agujeteada en la cual fueron recortadas preformas anulares de PAN preoxidado. Las preformas de PAN preoxidado fueron sometidas a un tratamiento térmico a aproximadamente 1600°C para transformar el PAN en carbono. Se obtuvieron entonces preformas anulares en fibras de carbono que tienen diámetros interior y exterior de 26 cm y de 48 cm, un grosor de 3.5 cm y una índice volumétrico de fibras de 23% aproximadamente, el índice volumétrico de fibras es el porcentaje ocupado por las fibras del volumen aparente de la preforma. Ciertas preformas fueron penetradas de agujeros que atraviesan paralelamente al eje, formadas por chorro de agua bajo presión, con una densidad sensiblemente constante de 1 agujero/cm2 aproximadamente. Las preformas fueron así obtenidas con agujeros de diámetros respectivos de 0.2 mm aproxi madamente para preformas A1 , A2, de 0.5 mm aproximadamente para preformas B1 , B2 y de 1 mm aproximadamente para preformas de C1 , C2. A manera de comparación, los agujeros fueron usados en otra preforma D por inserción de agujas de diámetro igual a 2 mm, con una densidad de 1 agujero/cm2 aproximadamente, las agujas son enseguida retiradas en vista de la densificación CVl . Se formó una carga de preformas en forma de montón anular compuesto esencialmente de preformas E no penetradas, insertando preformas A1 , A2, B1 , B2, C1 , C2 en el montón entre dos preformas E 1 y E2 no perforadas. La figura 15 muestra tal cargamento en montón 30 introducido en el cuarto de reacción 32 de un horno de densificación CVl para realizar una densificación CVl de tipo "a flujo dirigido" como se describe en el documento US 5 904 957. Brevemente, el horno se calienta por acoplamiento inductivo entre un inductor 34 y un susceptor en grafito 36 que delimita el cuarto de reacción con interposición con un aislante entre inductor y susceptor. Una fase gaseosa provocada pro una reacción se admite a través del fondo del susceptor 36, atraviesa una zona de precalentado 37 y se dirige en el volumen interno 31 del montón cerrado en su parte superior. La fase gaseosa se agota hacia el volumen hacia el volumen interno del cuarto 32 al exterior del montón 30 pasando en los intervalos usados por tirantes (no representados) entre las preformas, y difundiéndose a través de aquel. El gas efluente se extrae a través de la tapadera del susceptor por aspiración en medio de un grupo de bombeo que estabiliza el nivel deseado de presión en el cuarto. La densificación CVl de los sustratos por una aglomerante de carbono pirolítico se realizó utilizando una fase gaseosa provocada por una reacción a base de gas natural , bajo una presión de aproximadamente 5kPa y una temperatura de aproximadamente 1000°C. La densificación se realizó en dos ciclos 11 y 12 separados por una operación de decrustación para el cual el cargamento fue retirado del horno. El ciclo 11 se realizó en las condiciones predeterminadas que permiten llevar la densidad de las preformas E en un valor de aproximadamente 1.6. Después del decrustación por elaboración de lados principales de las preformas parcialmente densificadas para llevarlas a un grosor cercano de aquella del disco a realizar, el ciclo 12 se realizó en las condiciones predeterminadas para llevar la densidad de aproximadamente 1.8. Para el ciclo 12, el cargamento del horno se realizó colocando de nuevo las preformas E 1 , A1 , A2, B1 , B2, C1 , C2 y E2 parcialmente densificadas en este orden. Se procedió de la misma manera a una densificación en dos ciclos 11 e 12 de un cargamento en montón formado de sustratos de tipo E, a excepción de un sustrato D insertado en el montón, adyacente en un sustrato E3. La tabla 1 a continuación indica que los valores de densidad medidos para los discos A1 , A2, B1 , B2, C1 , C2, E1 y E2 después de los ciclos 11 e 12 y para los discos E3 y D después del ciclo 12. Se ha constatado que las densidades finales obtenidas para los discos A1 , A2, B1 , B2, C1 y C2 son sensiblemente superiores a aquellas de los discos D, E 1 y E2, y que la densidad de los discos D está lejos de aumentarse en las mismas proporciones al final del ciclo 12, en relación a la densidad del disco E3 Tabla I Afín de verificar la existencia o no de un gradiente de densificación, se recortó en los discos A1 , E 1 , D y E2 obtenidos después del ciclo 12, de los bloques de forma sensiblemente paralelapipédica lo largo de un rayo de los discos. Para cada bloque, la densidad se midió en diferentes zonas Z1 a Z5 entre el diámetro interior y el diámetro exterior, a la cercanía de un lado, a la cercanía de otro lado, y en la parte radial mediana. La tabla II a continuación indica los valores de densidad levantados. Se levanta el resultado remarcable obtenido con el disco A1 realizado según la invención ya que la densidad es prácticamente uniforme (variación de menos de 1.7%). Con los discos E 1 y E3 obtenidos a partir de una preforma sin agujeros, una variación importante de densidad se observa, traduciendo la existencia de un gradiente de densificación bastante fuerte a pesar de la decrustación intermedia (variación de 8.1 % y 7.7% respectivamente). Una variación de densidad de 6% se mide sobre el disco D, variación inferior a aquella observada sobre los discos E1 y E3, sin embargo aún muy sustancial. Tabla II Así el procedimiento según la invención se remarca en que permite incrementar el grado de densificación (del cual , para un mismo objetivo de densidad, disminuir el tiempo de densificación), todo eliminando casi el gradiente de densificación, resultados que el procedimiento del arte anterior (formación de agujeros por inserción de agujas) no permite obtener. Eiemplo 2 Se procedió sensiblemente como en el Ejemplo 1 , pero sin decrustación intermedia, formando un cargamento en montón de preformas anulares de fibras de carbono para discos estatores y discos rotores con diferentes grosores de preformas, entre 24 mm y 36 mm, y con preformas perforadas al chorro de agua bajo presión (agujeros de 0.5 mm de diámetro con una densidad sensiblemente constante de 1 agujero/cm2) y preformas no perforadas. Se realizó un ciclo de densificación CVl por aglomerante pirocarbono con interrupción a % de su duración total para medir la densidad de las preformas parcialmente densificadas. La tabla l ll a continuación da los valores de densidad medianos medidos intermediario y finalmente al cabo de V* de la duración del ciclo y al final del ciclo.

Tabla III El objetivo de densidad deseada ( 1.78) no alcanzan al grado intermediario, pero una densidad superior se observa con las preformas equipadas de agujeros. Al final del ciclo, el objetivo se afecta en todos los casos para las preformas equipadas de agujeros (valores en graso) y no alcanzan en ningún caso para las preformas no perforadas. Este ejemplo muestra que los discos de freno de material compuesto C/C de densidad requerida pueden obtenerse en un solo ciclo, sin decrustación intermedia gracias a la formación de agujeros en la preforma según la invención. Ejemplo 3 Se procedió sensiblemente como en el Ejemplo 1 , pero sin decrustación intermedia (un solo ciclo de densificación de una duración casi idéntica a aquella del ciclo del Ejemplo 2), formando un cargamento en montón de preformas anulares en fibras de carbono para discos de freno, que constan de preformas no perforadas y preformas perforadas con densidades de agujeros diferentes. Los agujeros son agujeros que atraviesan paralelos al eje y el diámetro de 0.5 mm y se formaron al chorro de agua bajo presión siguiendo un motivo que forma una red cuadrada como en la figura 7. El ciclo se interrumpió en la punta de 2/3 de su duración total para medir la densidad intermediaria mediana entonces afectada. La tabla IV a continuación da los valores de densidad mediana medidas intermediaria y al final del ciclo con las preformas que presentan diferentes densidades de agujeros. La velocidad de incremento de densidad entre la interrupción intermediaria y el final del ciclo es igualmente indicada (en punto de densidad pro hora), que representa la cinética de depósito sobre estas últimas horas. Tabla IV Se constata que el aumento de la densidad de los agujeros se traduce por una cinética de depósito más elevada en la parte final del ciclo de densificación. Ejemplo 4 Se procedió sensiblemente como en el Ejemplo 1 , pero si n decrustación intermedia al formar una carga en montón de preformas anulares de fibras de carbono para discos de freno, que consta de preformas no perforadas y una preforma perforada con una disposición de agujeros tales como se mostraron en la figura 14. La preforma perforada tenía una preforma de disco rotor teniendo diámetros exterior e interior de 46.8 cm y 26.7 cm respectivamente, un grosor de 3.5 cm y 567 agujeros que atraviesan de diámetro 0.5 mm. Los agujeros se formaron al chorro de agua bajo presión paralelamente al eje de la preforma. La curva A de la figura 16 muestra ia variación de la densidad medida en función del rayo de disco obtenido en la punta del ciclo de densificación de duración estándar, del mismo orden de tamaño que en le caso de los Ejemplos 2 y 3. A manera de comparación, la curva B muestra la variación de densidad medida sobre un disco obtenido a partir de una preforma de las mismas dimensiones pero no perforada. Se constata que la más grande densidad de agujeros en la parte central de la preforma permite obtener una gran densidad del material del disco en esta parte, entonces que el disco obtenido a partir de la preforma no perforada presenta un fuerte gradiente de densidad con un valor mínimo en la parte central de la preforma.

Claims (25)

1. REIVINDICACION ES 1 . Procedimiento de elaboración de piezas de material compuesto que consta de la elaboración de un sustrato fi broso, la formación de agujeros que se extienden en el sustrato a partir de al menos una superficie de aquel y la densificación del sustrato por un aglomerante formado al menos parcialmente por un procedi miento de ti po infiltración química en fase gaseosa, procedi miento en el cual los agujeros se forman en el sustrato por retirada de la materia fibrosa de aquel con ruptura de las fibras, la colocación de las fibras en la preforma proporcionada con agujeros siendo sensiblemente no modificada en relación a la colocación i nicial antes de la formación de agujeros.
2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el cual los agujeros se forman por maquinación al chorro de agua bajo presión.
3. 3. Procedimiento según la reivindicación 1 , en la cual los agujeros se forman por acción térmica localizada sobre la materia de las fibras de la preforma.
4. 4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el cual los agujeros se forman bajo el efecto de una radiación láser.
5. 5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 y 4, en el cual los agujeros se forman por eliminación de la materia de las fibras por oxidación.
6. 6. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el cual los agujeros se forman por maquinación por herramienta a gran velocidad.
7. 7. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el cual los agujeros se forman por recorte
8. 8. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el cual los agujeros se forman por electro-erosión.
9. 9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual el sustrato es una preforma anular y se forman los agujeros que desembocan sobre uno al menos de los lados principales de la preforma.
10. 10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual el sustrato es una preforma anular y se forman los agujeros que desembocan al menos sobre la superficie periférica externa de la preforma. 1 1. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el cual los agujeros tienen un diámetro medio comprendido entre 0.05 mm y 2 mm. 12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1 1 , en el cual la densidad de los agujeros en el sustrato se comprende entre 0.06 agujeros/cm2 y 4 agujeros/cm2. 13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el cual la densidad de los agujeros en el sustrato es variable. 14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el cual el sustrato forma una preforma anular para disco de freno y se forman los agujeros que desembocan sobre uno al menos de los lados principales de la preforma, la densidad de los agujeros es variable y decreciente entre una parte central del sustrato que corresponde a una pista de fricción del disco y las partes del sustrato adyacentes en sus superficies circunferenciales interna y externa. 15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el cual la distancia entre ejes de agujeros cercanos se comprende entre 0.5 cm y 4 cm. 16. Sustrato fibroso (20) para la elaboración de una pieza de material compuesto, que consta de agujeros que se extienden en el sustrato a partir de al menos una superficie de aquel , en el cual la densidad volumétrica de las fibras en cercanía de las paredes de los agujeros del sustrato no es sensiblemente superior a la densidad volumétrica de las fi bras en otras partes del sustrato. 17. Sustrato según la reivindicación 16, en el cual los agujeros se delimitan por zonas límites de ruptura o de eli minación de las fi bras. 18. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 16 y 17, en el cual los agujeros tienen un diámetro medio comprendido entre 0.05 mm y 2 mm. 19. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, en el cual la densidad de los agujeros en el sustrato se comprende entre 0.06 agujeros/cm2 y 4 agujeros/cm2. 20. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 1 9, en el cual la densidad de los agujeros en el sustrato es variable. 21. Sustrato según la reivindicación 20 que forma una preforma anular para un disco de freno, en el cual los agujeros desembocan sobre uno al menos de los lados principales del sustrato. 22. Sustrato según la reivindicación 21 , en el cual la densidad de los agujeros es variable y decreciente entre una parte central del sustrato que corresponde a una pista de fricción del disco y las partes del sustrato adyacentes a sus superficies circunferenciales interna y externa. 23. Sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, que forma una preforma anular, en el cual los agujeros desembocan al menos sobre la superficie periférica externa del sustrato. 24. Pieza de material compuesto (26) que consta de un refuerzo fibroso densificado por un aglomerante obtenido al menos parcialmente por un procedimiento de tipo de infiltración química en fase gaseosa y que presenta agujeros (28) que se extienden en la pieza a partir de al menos una superficie de aquel, el refuerzo fibroso se forma pro un sustrato según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 23. 25. Pieza de material compuesto (26) que consta de un refuerzo fibroso densificado por una aglomerante obtenida al menos parcialmente por un procedimiento de tipo de infiltración química en fase gaseosa y que presenta agujeros (28) que se extienden en la pieza a partir de al menos una superficie de aquel, pieza en la cual la densidad volumétrica de las fibras del refuerzo en cercanía de las paredes de los agujeros no es sensiblemente superior a la densidad volumétrica de las fibras en otras partes de la pieza.