Procédé de conditionnement d'une pièce en alliage métallique à mémoire de forme présentant deux états de mémoire de forme réversibles

Abstract

 Le procédé de conditionnement d'une pièce (P) en alliage métal­lique à mémoire de forme à double effet selon l'invention comprend les opérations 0₁ à 0₇ consistant
- à conformer (0₁) à la température ambiante T₁ la pièce (P) à la forme constituant un premier état de mémoire de forme,
- à maintenir mécaniquement la pièce dans son premier état de mémoire de forme (0₂)et à chauffer la pièce mécaniquement maintenue à la température T₃ pour l'amener dans un état de phase cristallo­graphique austénitique (0₃),
- à abaisser brusquement la pièce mécaniquement maintenue à une température T₄ (0₄) et à un traitement thermique de stabilisa­tion (0₅), tout en conservant son état austénitique, et
- à soumettre la pièce à un procédé d'éducation afin de la conformer dans le second état de mémoire de forme (0₆, 0₇).

Description

[0001] L'invention est relative à un procédé de conditionnement de pièces réalisées en alliage métallique susceptible de subir une transformation réversible de l'état de phase cristallographique de type austénitique à un état de phase cristallographique de type martensitique, et concerne notamment le conditionnement de pièces présentant des configurations complexes en vue de la mémorisation réversible par celles-ci de deux états de mémoire de forme.

[0002] On connaît déjà de la demande de brevet EP-A-161 952 un procédé de conditionnement d'une pièce en un alliage du type mentionné plus haut permettant de conférer à cette dernière un double effet de mémoire de forme réversible.

[0003] Le procédé peut être décomposé en deux séries d'opérations, à savoir la préparation de la pièce à éduquer et l'éducation de la pièce proprement dite.

[0004] En effet, avant de mettre en oeuvre le procédé d'éducation il est nécessaire de préparer la pièce, celle-ci étant au départ dans un état de phase cristallographique non défini qui ne permet pas son éducation. Cette préparation comprend essentiellement trois opéra­tions successives au cours desquelles la pièce est d'abord conformée selon une configuration constituant un premier état de mémoire de forme, puis chauffée afin d'être amenée dans un état de phase austénitique et enfin refroidie et stabilisée à une température voisine de la température ambiante.

[0005] La préparation telle que décrite précédemment présente cependant quelques difficultés lors de sa mise en oeuvre.

[0006] Il est notamment difficile, selon ce procédé de préparation, de conformer précisément des pièces dans leur premier état de mémoire de forme, la difficulté d'obtention d'une configuration précise étant d'autant plus grande que la géométrie de la pièce est comple­xe. Cela s'explique par le fait que lorsque la pièce est chauffée afin d'atteindre son état de phase austénitique, elle est portée, pour des raisons de sécurité, à une température légèrement supérieu­re à la température théorique de début d'apparition de la phase austénitique monophasée. Or à cette température on est proche de la température de fusion de l'alliage, il en résulte que la pièce se trouve dans un état de ramollissement dans lequel elle s'affaisse sous son propre poids et par suite perd sa forme initiale. Ceci constitue un inconvénient important dans de nombreuses applications telles que la préparation de pièces complexes de faibles sections.

[0007] Par ailleurs, le procédé d'éducation comprend les opérations consistant successivement à déformer la pièce afin de l'amener dans la configuration constituant son second état de mémoire de forme en la soumettant, à température ambiante, à une contrainte mécanique, à soumettre cette pièce sous la contrainte mécanique à un abaissement de la température telle qu'elle est amenée dans un état de phase martensitique, à supprimer la contrainte mécanique, et à chauffer la pièce à une température telle qu'elle est à nouveau amenée dans un état de phase austénitique si bien qu'elle reprend la configuration constituant son premier état de mémoire de forme. Ce cycle peut être répété en une pluralité de fois pour parfaire l'éducation.

[0008] Le procédé d'éducation décrit n'apporte pas non plus entière satisfaction. En effet, la mise en oeuvre de ce procédé nécessite un grand nombre de manipulations délicates , puisqu'au cours de chaque cycle il faut successivement imposer une contrainte mécanique à la pièce et supprimer cette contrainte mécanique. Ainsi l'éducation d'une série de pièces est consommatrice de temps et par conséquent coûteuse.

[0009] L'invention a donc pour but principal de remédier aux inconvé­nients de l'art antérieur susmentionné.

[0010] A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de conditionnement d'une pièce en alliage métallique susceptible de subir une transformation réversible de l'état de phase cristallogra­phique de type austénitique à l'état de phase cristallographique de type martensitique pour la mémorisation réversible de deux états de mémoire de forme comprenant les opérations consistant
- à conformer, à la température ambiante, la pièce à la forme constituant le premier état de mémoire de forme,
- à maintenir mécaniquement la pièce sous son premier état de mémoire de forme et à chauffer la pièce ainsi maintenue pour l'ame­ner dans un état de phase cristallographique austénitique, et
- à soumettre la pièce maintenue mécaniquement à un brusque abaissement de la température, puis à un traitement thermique de stabilisation tout en conservant son état de phase austénitique, et
- à soumettre la pièce à un procédé d'éducation, afin de la conformer dans le second état de mémoire de forme.

[0011] Ainsi, selon ce procédé la pièce est préparée tout en étant maintenue dans une configuration correspondant précisément à son premier état de mémoire de forme si bien qu'elle garde la conforma­tion initiale désirée, quelle que soit la complexité de sa géomé­trie.

[0012] Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le procédé d'éducation consiste à soumettre la pièce stabilisée dans son état austénitique à un brusque abaissement de température pour amener la pièce dans un état martensitique, tout en lui imposant simultanément une contrainte mécanique destinée à la conformer dans le second état de mémoire de forme.

[0013] De préférence, ce procédé d'éducation comprend en outre une opération consistant à soumettre la pièce dans son second état de mémoire de forme et maintenue sous ladite contrainte mécanique, à une série de contraintes thermiques pour amener alternativement la pièce d'un état martensitique à un état austénitique.

[0014] On évite ainsi les différentes manipulations de mise sous contraintes mécaniques de la pièce à chaque cycle d'éducation du procédé connu décrit plus haut, si bien que l 'éducation est simpli­fiée et facilitée.

[0015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî­tront au cours de la description détaillée qui suit d'une manière possible, mais non limitative, de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

[0016] Cette description sera faite en référence aux dessins annexés parmi lesquels :

- la figure 1 montre un graphique représentant les traitements thermiques que subit une pièce en fonction du temps, au cours de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,

- les figures 2 et 3 montrent respectivement les configura­tions à haute température et à basse température d'un ressort réalisé selon le procédé de l'invention, et

- les figures 4 à 10 montrent les différentes configurations du ressort aux différentes étapes du procédé de conditionnement selon l'invention.

[0017] Le procédé de conditionnement selon l'invention permet la préparation et l'éducation de pièces en alliage métallique à mémoire de forme en vue de ta mémorisation par ces dernières, de façon réversible, de deux états de mémoire de forme.

[0018] Ces pièces sont réalisées de façon connue en alliage métallique du type ayant la propriété de pouvoir subir une transformation réversible de leur état de phase cristallographique austénitique (haute température) à l'état de phase cristallographique martensi­tique (basse température).

[0019] Avec de tels alliages, la transition d'un état de phase à l'autre s'effectue dans un sens comme dans l'autre dans un interval­le de température. La température à laquelle la phase austénitique commence à apparaître lors du chauffage de l'alliage est appelée As et la température à laquelle la formation de la phase est achevée est appelée Af (Af > As). De façon similaire, lors du refroidisse­ment de l'alliage les températures de début et de fin de transfor­mation de phase martensitique sont appelés Ms et Mf respectivement (Mf < Ms).

[0020] D'une manière générale, il est à noter que Ms et Mf sont sensi­blement inférieures à Af et As respectivement, les intervalles de températures [As, Af] et [Ms, Mf] étant dépendants de la composition de l'alliage.

[0021] On va maintenant décrire en liaison avec la figure 1 le procédé de conditionnement d'une pièce P selon l'invention.

[0022] La figure 1 est un graphe dont l'axe des abscisses représente le temps et l'axe des ordonnées de la température. Ce graphe représente schématiquement les cycles thermiques et les configurations d'une pièce P à conditionner, pendant les opérations successives 0₁, 0₂ ... O₇ du procédé.

[0023] Les deux premières opérations 0₁ et 0₂ sont réalisées à tempéra­ture ambiante T₁, c'est-à-dire de 0° à 50° C environ. Il est à noter que les températures de références As, Af, Ms, Mf peuvent être supérieures ou inférieures à la température ambiante, selon l'allia­ge métallique utilisé. Ces températures peuvent être inférieures à 0° C, ou supérieure à 0° C comme on l'a représenté sur le graphe.

[0024] Au cours de l'opération 0₁, la pièce P est conformée à l'aide de moyens de configuration appropriés selon une configuration détermi­née. Cette configuration qui constitue un premier état de mémoire de forme correspond à la configuration de la pièce à haute température.

[0025] Notamment dans le cas où la configuration initiale de la pièce et le premier état de mémoire de forme sont très éloignés, il peut être avantageux de procéder à la configuration de la pièce en plusieurs étapes successives, chacune utilisant un moyen de configu­ration particulier pour passer progressivement de la configuration initiale au premier état de forme.

[0026] La pièce ainsi conformée est ensuite mise en place dans un dispositif dans lequel elle peut être maintenue sous une contrainte mécanique σ (tension, compression ou autre) et/ou simplement soute­nue, par exemple par un gabarit, selon la complexité de sa géométrie (opération 0₂). Grâce à ce maintien et/ou soutien, on s'affranchit des problèmes d'élasticité propre de la pièce déformée et des problèmes de tenue mécanique de la pièce lors des traitements thermiques. Il en résulte que la pièce conserve précisément son premier état de mémoire de forme.

[0027] La pièce est alors soumise à une élévation de température pour être amenée dans un état de phase cristallographique austénitique (opération 0₃). Lors de cette opération, on réalise un chauffage à coeur de la pièce à une température T₃ comprise dans une gamme s'étendant d'environ de 600° à 850° C selon l'alliage considéré. Ce chauffage est réalisé, par exemple, dans un four à chambre classi­que, ce dernier ayant été préalablement chauffé.

[0028] Il est à noter, à ce propos, que le temps de passage de la pièce dans le four doit être le plus court possible, compte tenu de la forme et de la dimension de la pièce, afin d'éviter une évaporation des métaux légers de l'alliage. En effet, une telle évaporation entraîne une modification de la composition de l'alliage et par conséquent une modification sensible des caractéristiques thermiques (points de transition, etc) et mécaniques (limite d'élasticité, etc) qui risque de modifier l'aptitude à l'éducation de l'alliage d'une part, et la plage de températures d'utilisation de la pièce d'autre part.

[0029] Consécutivement à ce chauffage, la pièce toujours maintenue et/ou soutenue est soumise à un brusque refroidissement jusqu'à une température T₄ (opération 0₄). L'abaissement de la température réalisé, par exemple, au moyen d'une trempe, permet la fixation de la phase austénitique. Dans tous les cas, la température T₄ atteinte après le refroidissement doit être supérieure à la température Af sans quoi la potentialité d'éducation de la pièce est perdue, cette dernière ayant, dans ce cas, traversé sa zone de transformation de phase austénitique-martensitique sans changement de configuration. Par ailleurs, la température T₄ à laquelle la pièce est refroidie doit être choisie de sorte que toute apparition d'une phase parasi­te, c'est-à-dire une phase autre que l'austénite ou associée à l'austénite, soit évitée.

[0030] Une fois la phase austénitique fixée, on procéde à un traitement thermique de stabilisation de la pièce (opération 0₅). Ce traitement consiste à maintenir la pièce pendant quelques dizaines d'heures à une température T₅ supérieure à Af et, par exemple, égale à la température T₄ à laquelle la pièce a été précédemment refroidie. Ce traitement permet une réorganisation structurelle de l'alliage et permet notamment de libérer les contraintes internes et d'éliminer les lacunes et autres défauts ponctuels qui auraient pu apparaître lors du refroidissement brusque.

[0031] On notera également que pendant cette stabilisation le maintien et/ou soutien peut être supprimé, puisque la pièce est déjà fixée dans son premier état de mémoire de forme.

[0032] Il est à noter de manière impérative que pour conserver la possibilité d'éduquer la pièce, la température de la pièce entre les deux opérations 0₄ et 0₅ doit rester quelques dizaines de degré au dessus de la température Af.

[0033] La pièce obtenue étant stabilisée dans son premier état de mémoire de forme, peut être alors soumise à un procédé d'éducation.

[0034] La pièce préparée selon l'invention (opérations 0₁ à 0₅) peut être éduquée selon le procédé d'éducation décrit dans la demande de brevet EP-A1-161 952. Cependant, ce procédé d'éducation nécessite, commme on l'a mentionné plus haut, de nombreuses manipulations des pièces ce qui le rend peu avantageux dans le cadre d'une production en série.

[0035] Pour éviter ces inconvénients, on utilise avantageusement selon l'invention un procédé d'éducation dans lequel la pièce est d'abord soumise à un brusque abaissement de température pour l'amener dans un état martensitique, tout en lui imposant simultanément une contrainte mécanique destinée à la conformer dans le second état de mémoire de forme (opération 0₆). A ce moment, la pièce est déjà éduquée. Là encore, on entend par abaissement de température pour amener la pièce dans un état martensitique un abaissement à une température T₆ inférieure à Mf.

[0036] Pour parfaire l'éducation de la pièce selon l'invention, on peut imposer à cette dernière une opération supplémentaire 0₇. Cette opération consiste à soumettre la pièce maintenue mécaniquement dans son second état de mémoire de forme à une série de contraintes thermiques pour l'amener alternativement de l'état martensitique à l'état austénitique. L'éducation obtenue est d'autant plus efficace que le nombre de contraintes thermiques est grand et/ou que l'allia­ge métallique utilisé est de bonne qualité.

[0037] On va maintenant décrire successivement les différentes opéra­tions du procédé de conditionnement selon l'invention en l'appli­quant au conditionnement d'un ressort hélicoïdal en vue de la mémorisation par ce dernier de deux positions de mémoire de forme en liaison avec les figures 2 à 10.

[0038] Sur les figures 2 et 3, on a représenté un ressort hélicoïdal 2 respectivement dans ses premier et second états de mémoire de forme.

[0039] Le premier état de mémoire de forme correspond à la forme du ressort à haute température (T > Af) tandis que le second état correspond à la forme du ressort à basse température (T < Mf).

[0040] Dans l'exemple décrit, le ressort 2 a dans sa forme à haute température des spires 4 écartées les unes des autres d'un pas X et a dans sa forme à basse température, ses spires 4 écartées d'un pas Y où X > Y. Bien entendu, le choix des formes des pièces à haute et à basse températures est arbitraire et dépend essentiellement de l'application de celles-ci.

[0041] L'alliage utilisé pour réaliser le ressort est, de manière non limitative, un alliage métallique à mémoire de forme comprenant approximativement 75 % de cuivre, 18 % de zinc et 7 % d'aluminium et dont les températures de transition de phase sont sensiblement les suivantes : As = 43° C, Af = 68° C, Ms = 56° C et Mf = 41° C.

[0042] Bien entendu, les nuances de l'alliage peuvent varier selon que l'on désire obtenir un ressort ayant des températures de transition de phases plus au moins élevées. On notera également que le procédé qui va être décrit maintenant plus précisément est valable pour d'autres alliages à mémoire de formes tels que les alliages Ti + Ni, Ti + Ni + X, Cu + Al + X, Fe + X ; etc... X appartenant à l'ensemble des dopants métalliques.

[0043] En se référant plus particulièrement aux figures 4 à 8, on voit le ressort 2 aux différentes opérations successives constituant la préparation avant son éducation proprement dite.

[0044] A la figure 4, on voit le ressort à température ambiante avant sa préparation. Ce ressort à été mis en forme par roulage, ou tout autre moyen équivalent, à partir d'un fil en alliage à mémoire de forme du type défini précédemment.

[0045] L'opération suivante, représentée à la figure 5, consiste à une mise sous tension F du ressort 2 à la température ambiante de sorte qu'il prend la configuration correspondant à son premier état de mémoire de forme. Pour ce faire, on fixe, par exemple, le ressort par chacune de ses extrémités à un dispositif de support 6. Ce support peut être constitué par une gouttière, les bords 8 des parois de cette dernière étant chacun engagés entre deux spires d'une extrémité du ressort. On choisit de préférence un dispositif de support présentant une inertie thermique plus faible ou égale à celle du ressort pour ne pas perturber les effets des traitements thermiques ultérieurs. Dans le présent exemple, le support a été réalisé à partir d'un grillage en acier inoxydable afin d'éviter une diffusion des matériaux constitutifs du support sur la pièce à conditionner.

[0046] On notera que de manière avantageuse, l'utilisation d'un support tel qu'une gouttière permet la mise sous tension d'un grand nombre de pièces simultanément.

[0047] A l'opération illustrée à la figure 6 le ressort 2 mis en place sur le support (c'est-à-dire sous tension) est soumis à une tempéra­ture d'environ 750° C afin d'amener le ressort de façon certaine dans l'état de phase austénitique.

[0048] Pour ce faire, le ressort est introduit, par exemple, dans un four à chambre classique, ce dernier ayant été préchauffé pendant deux heures à 750° C. Le ressort est alors maintenu dans le four quelques minutes, ce temps correspondant en fait au temps nécessaire pour effectuer une transformation austénitique à coeur du ressort. Par conséquent, le temps de chauffage dépend des formes et dimen­sions du ressort, et pour des raisons déjà explicitées plus haut, le temps de chauffage doit être le plus court possible.

[0049] Selon le procédé de l'invention, on remarque de façon avanta­geuse que le ressort conserve sa configuration au cours du chauffa­ge, et cela même à température élevée, la tension sous laquelle il est maintenu l'empêchant de s'affaisser malgré l'état de ramollis­sement de la matière à cette température.

[0050] Suite à cette opération, on procède à une fixation de la phase austénitique (figure 7). Cette fixation est réalisée en refroidis­sant brusquement la pièce à une température supérieure à Af tout en évitant la formation de phases parasites. Dans le cas du ressort, on refroidit à une température supérieure de 20 à 30° C à la tempéra­ture Af de l'alliage, soit à environ 90 à 100° C.

[0051] Ce brusque abaissement de la température consiste en une trempe du ressort dans un bain thermostaté à environ 100° C. Ce bain contient un un fluide caloporteur ayant des caractéristiques de refroidissement rapide et homogène. De préférence, on utilise dans cette gamme de température des huiles de types cryothermales, par exemple, une huile de silicone de type vendue sous la dénomination Rhodorsil manufacturée par Rhone Poulenc.

[0052] Dans le cas où l'on utilise des alliages métalliques à mémoire de forme présentant des températures de transition inférieures à 0° C, la trempe pourra aisément être réalisée dans de l'eau à tempéra­ture ambiante.

[0053] L'opération sus-décrite terminée, il convient alors de supprimer les défauts ponctuels et les contraintes internes inhérentes au brusque refroidissement.

[0054] Pour ce faire, on soumet le ressort 2 à un traitement thermique de stabilisation (figure 8) afin de réorganiser la structure cris­talline de l'alliage et de libérer les contraintes internes. Ce traitement consiste à maintenir pendant 10 à 20 heures le ressort dans le bain dans lequel il a été refroidi, ce dernier n'en ayant pas été retiré après l 'étape précédente. Puisque la configuration du ressort dans son premier état de mémoire de forme à été fixé en même temps que la trempe, il n'est alors plus nécessaire de maintenir ce dernier sous tension.

[0055] La préparation de la pièce étant terminée, on procède comme cela est illustré aux figures 9 et 10 à l'éducation du ressort.

[0056] A la figure 9, est illustrée l'opération essentielle de l'éduca­tion, cette opération consistant à soumettre simultanément le ressort 2, d'une part, à une contrainte mécanique de compression C, pour le conformer dans son second état de mémoire de forme et, d'autre part, à un brusque abaissement de la température, à savoir, à une température inférieure à Mf. Dans le cas de l'alliage choisi, le ressort subit une trempe dite martensitique à une température comprise entre 0° et 20° C, le ressort étant pincé, par exemple, entre les bords 10 d'une gouttière 12 afin de diminuer son pas. De préférence, la conformation du ressort dans sa forme basse température est réalisée dans l'intervalle de température compris entre Af et Mf.

[0057] Enfin, le ressort tout en restant soumis à la contrainte méca­nique susdite, est alternativement chauffé à une température supé­rieure à Af soit 90°à 110° C puis à un brusque refroidissement à une température inférieure à Mf soit de 0° à 20° C pour l 'alliage en question ceci étant répété quelques dizaines de fois.

[0058] De manière avantageuse, le support, permettant le maintien sous contrainte du ressort dans son second état de mémoire de forme, est conçu pour permettre l'éducation d'un grand nombre de ressorts simultanément. Ainsi on supprime les manipulations des ressorts inhérentes au procédé de l'art antérieur décrit plus haut.

Revendications

1. Procédé de conditionnement d'une pièce en alliage métallique susceptible de subir une transformation réversible de l'état de phase cristallographique de type austénitique à l'état de phase cristallographique de type martensitique pour la mémorisation réversible de deux états de mémoire de forme, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant
- à conformer, à la température ambiante, la pièce à la forme constituant le premier état de mémoire de forme,
- à maintenir mécaniquement la pièce dans son premier état de mémoire de forme et à chauffer la pièce mécaniquement maintenue pour l'amener dans un état de phase cristallographique austénitique,
- à soumettre la pièce mécaniquement maintenue à un brusque abaissement de la température et à un traitement thermique de stabilisation, tout en conservant son état austénitique, et
- à soumettre la pièce à un procédé d'éducation afin de la conformer dans le second état de mémoire de forme.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé d'éducation comprend les opérations consistant à soumettre la pièce stabilisée dans son état austénitique à un brusque abaisse­ment de température pour amener la pièce dans un état martensitique en lui imposant simultanément une contrainte mécanique destinée à conformer la pièce dans le second état de mémoire de forme.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le procédé d'éducation comprend en outre une opération consistant à imposer à la pièce mécaniquement maintenue dans son second état de mémoire de forme une série de contraintes thermiques pour amener alternativement la pièce d'un état martensitique à un état austéni­tique.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précéden­tes, caractérisé en ce que l'opération de conformation de la pièce à la température ambiante comprend plusieurs étapes successives pour passer progressivement d'une configuration initiale de la pièce au premier état de mémoire de forme.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précéden­tes, caractérisé en ce que lors de l'opération pendant laquelle la pièce mécaniquement maintenue est soumise à un brusque abaissement de la température et à un traitement thermique de stabilisation, la pièce est soumise brusquement à une température sensiblement supé­rieure à la température (Ms) de début de formation de la phase martensitique pour fixer la phase austénitique et est maintenue à cette température pendant 10 à 20 heures.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé­dentes, caractérisé en ce que, dans le procédé d'éducation la contrainte mécanique destinée à conformer la pièce dans le second état de mémoire de forme est imposée à la pièce entre les tempéra­tures de début et de fin de la phase martensitique.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précéden­tes, caractérisé en ce que lors de l'opération pendant laquelle la pièce est soumise à un traitement thermique pour l'amener dans un état de phase cristallographique austénitique, la pièce est amenée à une température voisine de 800° C et est maintenue à cette tempéra­ture entre 1 et 60 mn.

Dessins