FR3084445A1 - Fabrication d'une chambre de combustion en materiau composite - Google Patents

Abstract

L'invention concerne la fabrication en CMC d'une chambre de combustion annulaire de turboréacteur. Pour cela, on utilise un outillage (200) de conformation à tiroirs mobiles et on réalise ladite chambre autour de l'outillage, en réalisant pour cela une préforme fibreuse (110) que l'on consolide dans sa forme par drapage sur l'outillage et pyrolyse, puis que l'on densifie par CVI. Plusieurs tiroirs (210) présentent des contre-dépouilles, au moins un autre dit tiroir présentant une dépouille (211c) ou ni dépouille ni contre-dépouille. Ensuite, on retire les tiroirs dans un ordre prédéterminé imposé par les contre-dépouilles et les positions relatives des tiroirs.

Description

FABRICATION D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION EN MATERIAU COMPOSITE

DOMAINE [001] La présente invention concerne la fabrication d’une chambre de combustion en matériau composite.

[002] Est en particulier concerné un tel procédé de fabrication d’une chambre de combustion annulaire de turbomachine à gaz pour aéronef.

[003] Armer les matériaux en incorporant dans leur matrice un renfort fibreux, et accroître ainsi leur tenue mécanique, est une démarche maintenant connue. Des fibres de très haute résistance, des textures et des matrices conduisant à des composites performants, légers, compétitifs et durables ont été mis au point. Parmi eux les composites thermostructuraux, à base de fibres et de matrices en carbone ou en céramique, répondent aux besoins de la mécanique thermique : celle qui doit encore fonctionner à des températures supérieures à 1 000°C. Ils sont plus réfractaires et plus légers que les métaux et moins fragiles que le carbone ou la céramique monolithique.

[004] On sait en outre maîtriser leur fabrication. EP1851180 et WO2010034937 en donnent deux exemples.

[005] La fabrication des chambres de combustion des turbomachines précités est également bien maîtrisée. EP1816399 en donne un exemple. Il est ainsi proposé de réaliser séparément deux sous-ensembles de viroles formant la chambre de combustion, avec une soudure bord à bord des viroles, en soudant à une extrémité d'un premier sous-ensemble un anneau intermédiaire de raccordement, comportant une portée de montage, à engager une extrémité d'un second sous-ensemble sur cette portée et à la souder audit anneau intermédiaire. Des solutions assemblées boulonnées existent aussi.

[006] Il ne semble pas que jusqu’à présent, il ait été imaginé de fabriquer une telle chambre de combustion en matériau composite, et en particulier de fabriquer en matériau composite thermostructural une telle chambre de combustion annulaire de turbomachine à gaz pour aéronef.

[007] Ceci se conçoit, dès lors que la chambre de combustion est une structure particulièrement soumise à des contraintes mécaniques et thermiques très dures. En outre, la forme d’une telle pièce en anneau creux, et typiquement sensiblement en goutte d’eau, en section transversale à sa direction d’allongement, est considérée comme invitant à l’utilisation des solutions connues moulées/soudées et donc comme détournant d’un moulage en matériau composite.

[008] Pourtant l’invention propose justement d’associer matériau composite thermostructural et chambre de combustion annulaire.

[009] Plus précisément, est proposé un procédé de fabrication d’une chambre de combustion annulaire en matériau composite thermostructural, la chambre de combustion comprenant un fond s’étendant entre des parois, interne et externe respectivement, et formant avec elles un ensemble monobloc, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend des étapes où:

- on réalise un outillage de conformation à tiroirs comprenant plusieurs tels tiroirs mobiles,

- on réalise la chambre de combustion autour de l’outillage, en réalisant pour cela une préforme fibreuse formée de fils ou câbles et que l’on consolide dans sa forme, puis que l’on densifie par infiltration chimique en phase gazeuse, la consolidation étant réalisée, par drapage sur et autour dudit outillage, par imprégnation des fils ou câbles de la préforme fibreuse par une composition consolidante contenant un précurseur de carbone ou céramique et par transformation du précurseur en carbone ou céramique par pyrolyse, de sorte à obtenir une dite chambre de combustion à intérieur creux, la chambre de combustion réalisée présentant à une extrémité une ouverture définissant une sortie de gaz et ayant une section plus étroite que d’autres sections internes de la chambre de combustion, de sorte que plusieurs dits tiroirs de l’outillage présentent des contre-dépouilles, au moins un autre dit tiroir présentant une dépouille ou ni dépouille ni contre-dépouille,

- puis on retire lesdits tiroirs de l’outillage hors de l’intérieur creux de la chambre de combustion, dans un ordre prédéterminé imposé par les positions relatives des tiroirs et les contre-dépouilles.

[010] Ainsi, la transposition de la réalisation d’une pièce en matériau composite thermostructural dans le domaine des chambres de combustion ouvre la voie à la réalisation de telles pièces monoblocs structurellement performantes, avec potentiellement des zones d’épaisseurs variables (pouvant notamment être réalisées lors du drapage) et les avantages inhérents aux composites thermostructuraux.

[011] Pour extraire les tiroirs, il est proposé que l’étape de retrait desdits tiroirs hors de l’intérieur creux de la chambre de combustion comprenne un déplacement de ces tiroirs vers l’extérieur à travers l’ouverture de la chambre.

[012] Ainsi, on n’aura pas nécessairement besoin d’ouvrir latéralement et/ou en fond la paroi réalisée de la préforme pour extraire par-là les tiroirs.

[013] Certains au moins des tiroirs mobiles pourront s’étendre par secteurs autour d’un axe de la préforme ou de la chambre de combustion.

[014] Ainsi la réalisation et tant la mise en place que le retrait de ces tiroirs seront d’autant plus simples. On peut aussi attendre un effet en termes de contraintes mécaniques et/ou thermiques [015] En liaison avec ce qui précède, il est même proposé:

- que lesdits tiroirs à contre-dépouilles soient sectorisés, et/ou

- que, lors de l’étape de retrait desdits tiroirs hors de l’intérieur creux de la chambre de combustion, on déplace à travers ladite ouverture tous les tiroirs. [016] On en attend des effets précités d’autant plus sensibles.

[017] Avec le procédé précité, on va en outre pouvoir réaliser ledit outillage de conformation en métal, solution économique et permettant des fabrications précises et des formes éventuellement complexes.

[018] Le matériau composite thermostructural pourra en particulier être du CMC (composite à matrice céramique).

[019] En outre, il s’avère que la solution retenue permet de proposer de réaliser ladite chambre de combustion sur et autour de l’outillage, uniquement, sans donc d’autre partie de conformation qui serait disposée autour de la préforme fibreuse.

[020] Ainsi, les contre-moules évoqués dans EP1851180 et WO2010034937 ne seraient alors plus requis.

[021] Plus d’impératif de maintenir en forme la préforme finale obtenue dans un outillage formant moule dans lequel une quantité voulue de précurseur liquide est injectée, ni de maintien de la préforme fibreuse dans la forme voulue sur l'élément d'outillage de conformation par une membrane par exemple en élastomère formant contre-moule et appliquée sur la surface externe de la préforme.

[022] Avec l’invention, on pourra de façon relativement simple obtenir une solution monobloc, avec une extrémité (aval) ouverte pour la sortie des gaz et un fond (amont) fermé, lequel pourrait d’ailleurs intégrer des ouvertures multiples complémentaires d’entrée d’air de combustion et de montage de dispositifs d'injection de carburant pour apporter en entrée de chambre de combustion le mélange comburant/carburant requis. En outre, avec un tel fond monobloc avec lesdites parois interne et externe, on pourra réaliser un déflecteur intégré, protégeant ainsi thermiquement la chambre, un « fond de chambre » (FDC) traditionnel pouvant être disposé encore plus en amont, en face dudit « fond monobloc ».

[023] L'invention pourra être, si nécessaire, encore mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

- la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un « module de combustion » de turbomachine, comprenant une chambre de combustion de l'art antérieur,

- la figure 2 est vue, décalée angulairement par rapport à la figure 1 et aussi en perspective, d’un mode de réalisation de chambre de combustion conforme à l'invention,

- la figure 3 est un agrandissement de la zone marquée III figure 2 ;

- suivant une vue comme la figure 2, la figure 4 illustre la seule chambre de combustion à laquelle sont fixées juste quatre parois métalliques de liaison (58,60,62,64 ci-après), et

- les figures 5-6 est sont deux vues, en coupe et perspective, de la préforme autour de l’outillage de conformation, la coupe de la figure 5 passant par le plan V-V de la figure 6, et

- la figure 7 montre des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite thermostructural selon un mode de mise en œuvre de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE [024] Dans le mode de réalisation de la figure 1, la partie 1 d’une turbomachine à gaz pour aéronef (ici un turboréacteur double flux double corps) comprend un compresseur 3 - qui peut être un compresseur haute pression disposé axialement à la suite d’un compresseur basse pression dont la partie aval (visible sur la figure) comprend un étage 5 centrifuge, un diffuseur 7 annulaire raccordé en aval du compresseur 3. Le diffuseur 7 débouche dans un espace 9 entourant une chambre de combustion 10 annulaire. L’espace 9 est délimité par un carter externe 12 et un carter interne 14, tous deux annulaires coaxiaux à l’axe X de la turbomachine. La chambre de combustion 10 est maintenue en aval par des brides de fixation.

Ladite partie 1 de la turbomachine peut être dénommée « module de combustion ».

[025] Le compresseur 3 est ici centrifuge et comprend un impulseur rotatif 11 réalisé de façon à accélérer l'air qui le traverse et, de ce fait, à accroître l'énergie cinétique de cet air. L'air comprimé introduit dans la chambre de combustion 10 y est mélangé à du carburant issu d'injecteurs, tels les injecteurs 4” de la figure 2. Les gaz issus de la combustion sont dirigés vers une turbine (ici haute pression) située en aval (AV) de la sortie de la chambre 10, et d’abord vers un distributeur 23 qui est une partie du stator de la turbomachine.

[026] Le diffuseur 7 entoure annulairement l'impulseur. Le diffuseur 7 sert à réduire la vitesse de l'air quittant l'impulseur et, de ce fait, à accroître sa pression statique.

[027] La chambre 10 comprend une paroi de révolution externe 16 et une paroi de révolution interne 18, métalliques, reliées en amont à une paroi 20 transversale annulaire, ou paroi de fond de chambre. Par des brides annulaires (radialement) externe 22 et interne 24 respectivement, et en extrémité aval, la chambre 10 est en appui axial contre des viroles, annulaires externe et interne respectivement, d’un distributeur, ici le distributeur haute pression 23, via des lamelles d’étanchéité 220, 240 liées auxdites brides annulaires (radialement) externe 22 et interne 24, respectivement. Ces brides appuient axialement contre des pions axiaux 221,241, respectivement, dont sont équipées les viroles annulaires externe 247 et interne 249 et qui peuvent être centrés par des ressorts 223, 243. Comme pourrait le faire extérieurement la bride annulaire externe, la bride annulaire radialement interne 24 se prolonge, de façon radialement intérieure par rapport aux lamelles d’étanchéité 240, par un organe d’appui 245 annulaire en forme d’épingle ouverte vers l’aval qui vient en appui contre un carter 25, dit carter support distributeur HP. Entre les viroles annulaires externe et interne du distributeur 23, fixé par ailleurs, s’étendent des pales 251 sensiblement radiales.

[028] On peut par ailleurs considérer que le carter interne 14 qui longe la chambre 10 est défini par, ou comprend, la virole 26 du diffuseur et un voile intermédiaire 28 interne fixé en amont à la virole 26 et en aval au carter 25. [029] Dans l’exemple de la figure 1, la chambre de combustion 10, dont l’extrémité aval est positionnée comme indiqué ci-avant, est par ailleurs fixée en partie amont (AM) par au moins trois broches 42 de fixation circonférentiellement réparties autour de l’axe X longitudinal de la turbomachine, axe autour duquel tournent notamment les aubes mobiles de turbine(s) et de compresseur(s).

[030] Dans la présente demande, l’aspect radial est apprécié par rapport aux axes X et l-l’, l’aspect axial étant donc apprécié en référence à l’un ou l’autre de ces mêmes axes, l'axe de révolution de la chambre de combustion étant lui-même parallèle à (confondu avec) l'axe longitudinal X de la turbomachine. En relation avec ce point, les expressions externe/extérieur interne/intérieur sont à comprendre comme au regard de la direction radiale. [031] Les broches 42 sont fixées au carter externe 12 et au moins aux parois 16,20 fixées ensemble. Préférentiellement, on trouvera quatre telles broches 42 réparties de manière uniforme autour de l’axe X.

[032] Si la coupe de la figure 1 ne montre pas de dispositif d’injection de carburant (prévus toutefois), elle montre par contre un capot 40 qui peut être annulaire et incurvé vers l'amont. Le capot 40 est fixé sur les extrémités amont des parois 16, 18 et 20 de la chambre. Suivant une autre coupe circonférentiellement décalée qui passerait par l’axe de l’un de ces dispositifs d’injection de carburant, comme sur la figure 2, on verrait que le capot 40 comprend des orifices de passage d'air (repère 41” figure 2) et dudit dispositif d’injection de carburant alignés avec d’autres orifices de passage ménagés à travers la paroi de fond de chambre 20 et un déflecteur 21 (remplaçant la couronne de déflecteurs antérieure) disposé juste en aval d’elle, pour la protéger thermiquement du rayonnement des flammes se développant dans le foyer 11 de la chambre 10.

[033] Le mélange d'air et de carburant injecté dans le foyer 11 y est enflammé au moyen d'au moins une bougie d'allumage 48 qui s'étend radialement à l'extérieur de la chambre. La bougie est guidée à son extrémité radialement interne dans un orifice 50 de la paroi externe de la chambre. [049] Métalliques, les parois externe 16 et interne 18 sont traversées par des trous primaires et des trous de dilution 44, 46.

[034] Pour notamment améliorer la durée de vie de la chambre de combustion et/ou réduire les fuites gazeuses parasites dans la zone du FDC équipé et/ou mieux maîtriser la masse globale de la chambre de combustion, la figure 2 montre une solution de chambre de combustion (10”) dans laquelle lesdites parois interne (16”) et externe (18”) et le déflecteur/fond (21 ”) - disposé en aval de la paroi FDC ( 20”) pour la protéger thermiquement - ont été réalisés de sorte qu’ils forment conjointement un ensemble monobloc (100) où les moyens identiques ou remplissant la même fonction que ceux de la figure 1 ont donc été référencés identiquement, à un exposant «”» près.

[035] L’ensemble monobloc 100 est en matériau composite thermostructural, réfractaire. Il peut s’agir de CMC.

[036] Le FDC 20” est métallique. Il peut présenter une épaisseur supérieure ou égale à celle de l’ensemble monobloc 100, et être ainsi mécaniquement structurant pour la chambre de combustion.

[037] L’appellation FDC (fond de chambre) pour l’élément 20” vient de ce qu’il porte le système d'injection 2”, qui est fixé à lui, comme cela se fait habituellement. Quant à la partie dite « déflecteur » 21”, elle est dénommée ainsi également par référence à la considération habituelle qui présente ce qui est situé devant le (juste en aval du) « fond de chambre » comme ayant pour fonction de le protéger thermiquement de la chaleur du foyer. Dans l’invention, le « déflecteur » 21” est donc constitué par le fond de l’ensemble monobloc 100 et définit le fond du foyer 11” où se déroule la combustion. Ainsi, l’ensemble monobloc 100 et le foyer 11” sont donc respectivement définis et délimités par les parois annulaires respectivement interne 18” et externe 16” réunies de façon monobloc par le « déflecteur », que l’on peut aussi dénommer «fond de foyer», 21”. En fonctionnement, alimenté en comburant et carburant, le foyer 11” renfermera la combustion induite par les bougies, les gaz de combustion sortant par l’ouverture 70 située, le long d’une direction parallèle aux axes l-l’, à l’opposé du fond de foyer 21”.

[038] Suivant chaque axe l-l’, le système d'injection 2” correspondant traverse un premier orifice 55 (d’une série circonférentielle de tels orifices) du FDC 20”, de façon relativement serrée, puis, sans contact, un second orifice 57 (d’une série 570 circonférentielle de tels orifices) du fond de foyer 21”.

[039] (Notamment) pour tendre vers la suppression des fuites d’air dans l’espace 56” entre le FDC 20” et le fond 21” de foyer de l’ensemble monobloc, le fond 21” est ici entièrement plein, hormis à l’endroit des orifices 57. Le fond 21” est ainsi dépourvu des orifices de multi-perforations traditionnels pour le passage d’air de refroidissement le long des parois externe 16” et/ou interne 18”. Par contre les parois externe 16” et interne 18” peuvent être traversées par des trous primaires et des trous de dilution 44”, 46”.

[040] Par ailleurs, la réalisation à base de matériau composite thermostructural de l’ensemble monobloc 100 pourra permettre qu’à l’exception desdits premiers orifices 55 de montage des dispositifs 2’74” d'injection de carburant, le fond de chambre 20” soit entièrement plein, étant ainsi dépourvu des orifices de passage d’air de refroidissement (multiperforations) en direction du fond de foyer 21”.

[041] Autant le fond de foyer 21” est monobloc, autant le FDC 20” sera favorablement une couronne comprenant une succession circonférentielle de secteurs (secteurs d’anneau).

[042] Pour une liaison à contraintes (mécaniques/thermiques) et fabrication maîtrisées entre l’ensemble monobloc 100 et les pièces métalliques alentours de la turbomachine (si elles existent : broches 42, lamelles 220,240...), il est proposé que, vers l’extrémité amont de la chambre de combustion 100, soient prévues des premières parois métalliques de liaison interne 60 et externe 58, respectivement, reliant entre eux le capotage 40” métallique (qui s’étend en amont du fond de chambre 20”) et les parois interne 18” et externe 16”, respectivement ; voir figures 2 .

[043] En outre, vers l’extrémité aval de ladite chambre, sont prévues des secondes parois métalliques de liaison interne 64 et externe 62 respectivement (voir figure 2), présentant des brides interne 24” et externe 22”, respectivement, de liaison:

- entre la paroi interne 18” et :

-- le carter injecteur (repère 25 figure 1, via une possible partie en épingle 245”) et/ou la virole annulaire interne 249 (figure 1), ou -- un voile interne intermédiaire (repère 28 figure 1), et

- entre ladite paroi externe 16” et une partie du DHP (virole annulaire externe 247 figure 1) et/ou le carter externe (repère 12 figure 1), notamment une zone de bhdage sur ce carter externe.

[044] Les parois métalliques de liaison 58,60,62,64 seront donc des tôles souples, plus déformables que le matériau réfractaire de l’ensemble 100, lorsque la turbomachine fonctionne.

[045] Compte tenu de ce qui précède, on aura compris que la figure 4 illustre donc, tirée de la figure 2, l’ensemble monobloc 100 (parois externe 16” et interne 18”, et fond de foyer 21”) qui définit le foyer 11” à ouverture 70 aval de sortie des gaz et que l’on souhaite ici fabriquer.

[046] Cela fait, on fixera lesdites parois interne 18” et externe 16” de l’ensemble monobloc 100 et les parois métalliques de liaison interne 60, 64 et externe 58,62, respectivement, en utilisant de préférence, afin de limiter les contraintes thermiques et mécaniques, des pions 66 (traversant les parois adjacentes en regard) et des rondelles 68 soudées ensemble; voir figures 2,3.

[047] Un défi relevé a donc été de fabriquer en matériau composite thermostructural la chambre de combustion annulaire monobloc 100.

[048] Dans l’exemple préféré, car présentant un allongement avant cassure jusqu'à 1 %, une résistance extrême au choc thermique, une bonne résistance aux charges dynamiques et des propriétés anisotropes définies par l’orientation des fibres, le matériau composite thermostructural est du CMC.

[049] Pour réaliser donc en monobloc les parois externe 16” et interne 18”, et fond de foyer 21” :

- on va d’abord réaliser l’outillage 200 de conformation à tiroirs,

- puis, autour de cet outillage 200, on va réaliser ladite chambre de combustion monobloc 100, via la préforme 110.

[050] L’outillage 200 de conformation à tiroirs (aussi « sliding splitmould » en anglais) comprend plusieurs tiroirs 210 réunis ensemble pour former un bloc compact.

[051] L’outillage 200 sera de préférence en métal, pour des questions de coûts et de facilité de fabrication.

[052] Dans l’exemple non limitatif illustré figures 5,6, tous les tiroirs 210 sont mobiles. Ils sont sept dans l’exemple.

[053] Certains de leurs retraits aurait pu se faire à travers des orifices latéraux, tels les trous 44” et/ou 46” qui auraient être matérialisés par des tiroirs 210 supplémentaires, faisant saillie en surface extérieure du bloc réuni.

[054] On a préféré que le retrait des tiroirs 210 hors de l’intérieur creux de la chambre 100, une fois celle-ci réalisée, s’opère par déplacement, ici coulissement, vers l’extérieur de tous les tiroirs 210 à travers l’ouverture 70 ; voir flèche 71 figure 5.

[055] Cette ouverture 70 (de sortie de gaz) a une section (ou surface frontale) S1 plus étroite que d’autres sections internes telles S2,S3 (du foyer) de la chambre de combustion. Plusieurs tiroirs de l’outillage présentent des contre-dépouilles, telles 211 a,211 b figure 5. Au moins un autre tiroir, ici 210a, présente une dépouille 211c (solution avec traits pointillés), voire hypothétiquement ni dépouille ni contre-dépouille (solution alternative avec trait plein pour le tiroir 210a).

[056] Les sections (ou surfaces frontales) sont considérées parallèlement à l’ouverture 70 ou transversalement aux parois 16”, 18” ; voir les exemples des sections S1,S2,S3, en, fonction de la direction selon laquelle le tiroir correspondant devra franchir le goulet ou goulot formé par l’ouverture 70.

[057] Dans un exemple préféré, comme illustré, l’un au moins des tiroirs, 210a ici, section frontale Sa inférieure à celle S1 de l’ouverture 70 (de sortie de gaz) a une section (ou surface frontale), est mobile perpendiculairement au plan P dans lequel s’étend l’ouverture 70. Ce tiroir 210a, premier à retirer pour pouvoir retirer ensuite les autres, est rectiligne et s’étend suivant l’axe 72. La direction 71 est parallèle à cet axe. Le tiroir 210a s’étend du fond 74 du bloc/outillage 200 jusqu’à l’ouverture 70, voire au-delà pour qu’on puisse le saisir. A l’endroit de la section frontale S1, il est entouré par d’autres tiroirs, ici 210b,21 Od, l’ensemble de leurs sections totales Sa+Sb+Sd étant égale à la section S1.

[058] Pour s’adapter à la forme annulaire de la chambre de combustion annulaire 100 et faciliter la manœuvre des tiroirs, certains au moins des (dans l’exemple tous les) tiroirs mobiles s’étendent par secteurs, comme illustré figure 6.

[059] Ainsi, chaque section frontale totale Sa,Sb,Sd...etc, est la somme des sections frontales des secteurs circonférentiellement adjacents formant le tiroir concerné ; voir pour l’exemple les sections adjacentes Sa-Sa1 et SaSa2 de deux secteurs circonférentiellement adjacents 210a1,210a2 du tiroir 210a.

[060] Malgré la sectorisation, il est conseillé de prévoir un retrait de tous les tiroirs à travers l’ouverture 71, un retrait partiel ne résolvant pas le problème des contre-dépouilles et du passage par l’ouverture 70.

[061] D’autant plus du fait des contre-dépouilles, l’ordre de retrait des tiroirs est imposé et prédéterminé.

[062] Dans l’exemple illustré, une fois la chambre de combustion 100 formée et donc polymérisée, on retirera d’abord le tiroir 210a, puis dans l’ordre et successivement, les tiroirs 210b,210c,21 Od,210e,21 Of,210g.

[063] Au moins en l’orientant d’une certaine manière, chaque (secteur de) tiroir présente une section bien entendu inférieure à celle S1 de l’ouverture 70, pour pouvoir traverser cette ouverture.

[064] On aura aussi noté que, comme le font comprendre les figures 5-6, l'outillage 200 de conformation est annulaire, de sorte qu’une fois formée autour de ses tiroirs assemblés en bloc, la chambre de combustion 100 s’étende annulairement autour d’un axe X qui est aussi celui de la forme annulaire de l'outillage 200.

[065] On va maintenant indiquer de façon générale la technique d’apport et de prise en forme de cette pièce monobloc annulaire 100 autour desdits tiroirs 210 assemblés en bloc pour former l'outillage 200 de conformation, étant précisé qu’il s’agit d’une technique conventionnelle de réalisation d’une pièce en matériau composite thermostructural, tel que du CMC.

[066] Comme cela est connu (voir « wikipédia » TM), la fabrication d’une pièce en céramique composite suit en règle générale trois étapes : Dépôt et fixation de fibres sous la forme souhaitée pour la pièce ; Apport de la matrice céramique entre les fibres, Finissage, et si besoin étapes ultérieures, comme l'addition de couches supplémentaires. La première étape est le dépôt et la fixation des fibres (« rovings » en anglais), semblable à l'étape analogue dans la fabrication des polymères composites : par exemple, et comme en l’espèce, dépôt d'un tissu de fibres, drapage. La dernière étape est typiquement l'usage de techniques d'usinage conventionnelles : meulage, alésage, rodage ou fraisage, ou découpage par jet d'eau ou laser.

[067] La deuxième étape peut être pratiquée au moyen de cinq procédés différents pour faire entrer la matrice céramique entre les fibres : Dépôt de la céramique à partir d'un mélange gazeux ; Création par pyrolyse d'un polymère contenant des atomes de Si et de C ; Création par réaction chimique ; Création par frittage à température plus basse (1 000 à 1 200 °C)

Création par électrophorèse de poudre céramique.

[068] En l’espèce, il est plus précisément conseillé de procéder comme suit, en conformité avec ce qui est présenté dans WO2010034937 : réaliser une préforme fibreuse 110 que l’on va consolider dans sa forme par drapage sur et autour de l’outillage 200, par imprégnation de la préforme fibreuse par une composition consolidante contenant un précurseur et par transformation du précurseur par pyrolyse, puis que l’on va densifier par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI), de sorte à obtenir une dite chambre de combustion 100 à intérieur creux.

[069] Pour la réalisation de la préforme fibreuse 110 imprégnée, on peut utiliser une ou plusieurs strates d'une texture fibreuse, par exemple un tissu tridimensionnel (3D), imprégnée par la composition consolidante. On met alors en forme la texture fibreuse, par drapage sur et tout autour de l’outillage 200, afin d'obtenir une préforme 110 (ayant une forme) correspondant à celle de la pièce 100 à fabriquer (parties 16”, 18” et 21 ”, figures 5,6). La résine de la composition consolidante est réticulée puis pyrolysée laissant un résidu solide en carbone, ou céramique si CMC, assurant la consolidation de la préforme. La préforme consolidée est densifiée par une matrice carbone ou céramique obtenue par CVI. De façon bien connue, la densification par CVI est obtenue en plaçant la préforme consolidée dans une chambre de réaction et en introduisant dans la chambre une phase gazeuse réactionnelle contenant un ou plusieurs précurseurs de carbone ou de céramique, les conditions notamment de pression et de température dans la chambre de réaction étant choisies pour permettre à la phase gazeuse réactionnelle de diffuser au sein de la porosité de la préforme et d'y former un dépôt solide de carbone ou de céramique par décomposition d'un ou plusieurs constituants de la phase gazeuse réactionnelle ou réaction entre plusieurs constituants. L'imprégnation par la composition consolidante doit être réalisée de façon suffisante pour obtenir la quantité de résidu solide après pyrolyse nécessaire à une consolidation satisfaisante. Par consolidation satisfaisante, on entend ici une densification partielle de la préforme fibreuse

110 qui atteint ou dépasse légèrement un seuil à partir duquel la préforme conserve seule sa forme et peut éventuellement être manipulée une fois retirés les tiroirs 210 de l'outillage. Il a constaté qu'une consolidation suffisante est généralement obtenue avec un taux volumique de résidu solide après pyrolyse de 12% à 14% (c'est-à-dire le pourcentage du volume apparent de la préforme occupé par ce résidu solide).

[070] Des essais mécaniques effectués sur des pièces en CMC ainsi obtenues par consolidation par voie liquide avec une résine précurseur de céramique et densification par CVI ont abouti à des résultats satisfaisants.

[071] Un mode de réalisation d'un procédé selon l'invention sera décrit ciaprès en référence à la figure 1 dans le cadre de la fabrication d'une pièce en matériau composite thermostructural de type CMC.

[072] A titre de description encore plus détaillée d’un mode de réalisation, et comme schématisé figure 7, les étapes de réalisation de la pièce 100 pourront se succéder comme suit :

Une première étape 101 du procédé consiste à réaliser une texture fibreuse en fibres de carbone ou céramique à partir de laquelle une préforme de la pièce 100 peut être élaborée.

La texture fibreuse est formée à partir de fils ou câbles (ci-après désignés par fils) en fibres de carbone ou céramique ou en fibres de précurseur de carbone ou céramique, la transformation du précurseur en carbone ou céramique étant alors réalisée par traitement thermique après formation de la texture fibreuse.

La texture fibreuse peut être sous forme d'un tissu, notamment un tissu obtenu par tissage tridimensionnel (3D), ce qui permet d'avoir une épaisseur de texture fibreuse relativement importante avec plusieurs couches de fils liées entre elles. D'autres processus textiles peuvent être utilisés pour former la texture fibreuse, comme par exemple le tressage, le tricotage ou la formation de nappes multidirectionnelles par superposition dans des directions différentes et liaison entre elles de nappes de fils unidirectionnelles, la liaison étant par exemple réalisée par couture.

Une deuxième étape 201 consiste à préparer une composition consolidante sous forme liquide, comprenant un précurseur de céramique, typiquement une résine, et des charges solides sous forme de poudre(s) de céramique. La composition consolidante peut contenir aussi un dispersant pour les charges solides, un solvant pour la résine et un solvant pour le dispersant (si un solvant commun n'est pas disponible), la quantité de solvant(s) étant ajustée pour conférer à la composition la viscosité adaptée pour imprégnation de la texture fibreuse. Des précurseurs de céramique notamment sous forme de résine sont bien connus. Ainsi, une résine précurseur de carbone de silicium SiC peut être choisie parmi des résines polysiloxanes, des résines polysilazanes et des résines polycarbosilanes. Les charges solides sont constituées par une ou plusieurs poudres de céramique choisies(s) par exemple parmi les poudres de carbure de silicium SiC, carbure de titane TiC, carbure de bore B4C et nitrure de bore BN. Selon une caractéristique du procédé, la granulométrie est choisie relativement faible, en moyenne inférieure à 200 nanomètres. Par granulométrie, on entend ici la dimension ou diamètre moyen des grains de poudre. A l'étape 301, la texture fibreuse est imprégnée par la composition consolidante. Les taux respectifs de précurseur de céramique et de poudre(s) de céramique dans la composition consolidante ainsi que la quantité de composition consolidante introduite dans la texture sont choisis afin que dans la préforme fibreuse et après transformation du précurseur en un résidu céramique solide:

- le taux volumique de résidu céramique dans la préforme est compris entre 3% et 10%, et

- le taux volumique de poudre(s) de céramique dans la préforme est compris entre 0,5% et 5%.

Par taux volumique, on entend ici la fraction occupée du volume total apparent de la préforme.

L'imprégnation de la texture fibreuse peut être réalisée par application au pinceau ou par épandage ou par immersion dans un bain, éventuellement sous vide, ou encore par injection de la composition consolidante avec mise sous vide.

Connaissant le volume apparent de la préforme consolidée à obtenir et le taux de résidu solide de pyrolyse pour le précurseur de céramique utilisé, on peut aisément déterminer la quantité de précurseur à utiliser pour obtenir un taux volumique de résidu céramique désiré dans la préforme. Connaissant le volume apparent de la préforme consolidée à obtenir, on peut également aisément déterminer la quantité de poudre(s) de céramique à utiliser pour obtenir un taux volumique de poudre(s) de céramique désiré dans la préforme. Connaissant les quantités de précurseur céramique et de poudre(s) de céramique à utiliser, les quantités de dispersant éventuel et de solvant(s) peuvent être aisément déterminées pour assurer une bonne dispersion de la ou des poudres et pour conférer à la composition consolidante la viscosité adaptée pour l'imprégnation de la texture fibreuse. Après imprégnation, une étape 401 de séchage peut être réalisée (élimination de solvants éventuels) suivie par une étape 501 de préréticulation de la résine précurseur de céramique. Par pré-réticulation de la résine on entend amener la résine à un état intermédiaire entre résine non réticulée et réticulation achevée. Le but est de conférer à la texture fibreuse une plus grande raideur tout en conservant la déformabilité requise pour pouvoir la conformer afin de réaliser la préforme de la pièce 100. On peut ainsi conférer à la texture fibreuse une capacité améliorée à conserver sa forme après déformation lors de sa conformation et faciliter la mise en place éventuelle de liaisons discrètes (couture, implantation d'éléments de liaison), étant noté qu'une telle pré-réticulation peut ne pas être utile dans tous les cas.

L'élaboration de la préforme fibreuse de ladite pièce 100 étape 601) peut comprendre la découpe de strates ou panneaux dans la texture fibreuse imprégnée et leur mise en forme sur un élément d'outillage ayant une forme correspondant à celle de la pièce à fabriquer. On notera que l'imprégnation de la texture fibreuse peut être réalisée après découpe de tels strates ou panneaux.

Selon la complexité de la forme à donner à la préforme fibreuse 110, la capacité de déformation de la texture fibreuse sans engendrer d'irrégularités significatives en surface et l'épaisseur de la préforme fibreuse, l'élaboration de celle-ci pourra comprendre une ou plusieurs des opérations suivantes :

- drapage (mise en forme) d'une unique strate de texture fibreuse sur l'élément d'outillage,

- drapage de plusieurs strates superposées, non nécessairement de mêmes dimensions lorsque la préforme fibreuse a une épaisseur évolutive (variable),

- découpe de panneaux de texture fibreuse et disposition des panneaux sur l'élément d'outillage avec bords adjacents, éventuellement avec recouvrement mutuel des bords.

La liaison entre strates superposées ou entre bords adjacents de panneaux de texture fibreuse peut être réalisée par couture ou implantation d'éléments de liaison tels que des fils.

Après élaboration de la texture fibreuse, la réticulation de la résine précurseur de céramique est achevée (étape 701).

L'outillage de conformation 200 peut alors être retiré hors de la préforme fibreuse, de façon que celle-ci soit soumise à un traitement thermique de pyrolyse de la résine (étape 801). Un tel traitement thermique est usuellement réalisé à une température de 700°C à 1000°C, pendant une à plusieurs heures.

On obtient alors une préforme fibreuse consolidée par le résidu céramique de pyrolyse du précurseur contenu dans la composition consolidante, ce résidu céramique étant lui-même renforcé par la ou les poudres de céramique. La préforme fibreuse 110 ainsi consolidée est ensuite densifiée par une matrice céramique en CVI (étape 901). Les processus CVI de densification d'un substrat poreux par une matrice céramique sont bien connus. Avantageusement, la densification est réalisée par une matrice céramique au moins en partie auto-cicatrisante, c'est-à-dire capable, par passage à un état pâteux aux températures d'utilisation, de colmater des fissures éventuelles de la matrice. Des procédés de formation de matrices céramiques notamment auto-cicatrisantes sont décrits par exemple dans les documents US 5 965 266, US 6 068 930 et US 6 291 058.

La densification CVI étant réalisée à une température supérieure à celle de pyrolyse du précurseur de céramique de la composition consolidante, les étapes 801 et 901 peuvent être enchaînées dans un même four, la pyrolyse étant réalisée lors de la montée en température préalable au début de la densification CVI.

Les quantités de précurseur de carbone et charges solides dans la composition consolidante seront de préférence choisies pour qu'après pyrolyse du précurseur de carbone le taux volumique de résidu solide de pyrolyse de ce précurseur dans la préforme fibreuse 110 consolidée soit compris entre 3% et 10% et le taux volumique de charges solides dans la préforme soit compris entre 0,5% et 5%. Une interphase peut être prévue entre les fibres de la texture fibreuse et la matrice du matériau CMC ou C/C. Le matériau constitutif de l’interphase est par exemple du carbone pyrolytique (PyC), du nitrure de bore (BN) ou du carbone dopé au bore (BC avec par exemple 5% à 20% At de B, le complément étant C).

[073] On aura noté que la technique de réalisation en matériau composite thermostructural d’une chambre de combustion annulaire telle celle 200 permet de s’exonérer de tout « contre-moule » autour de l’outillage 200. A la différence de par exemple, il n’y a donc pas ici de maintien de la préforme fibreuse 110 dans la forme voulue sur l'outillage 200 de conformation au moyen d'une membrane par exemple en élastomère formant contre-moule et qui serait appliquée sur la surface externe de la préforme.

[074] Ainsi, on réalisera la chambre de combustion 100 sur et autour du seul outillage 200, sans donc d’autre partie de conformation qui serait disposé autour de la préforme fibreuse ou de cette chambre de combustion.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication en matériau composite thermostructural d’une chambre (100) de combustion annulaire délimitée par des parois annulaires respectivement interne (18”) et externe (16”) réunies de façon monobloc par une paroi de fond (21”), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend des étapes où :

   - on réalise un outillage (200) de conformation à tiroirs comprenant plusieurs tels tiroirs (210) mobiles,

   - on réalise ladite chambre de combustion autour de l’outillage, en réalisant pour cela une préforme fibreuse (110) que l’on consolide dans sa forme par drapage sur et autour dudit outillage (200), par imprégnation de la préforme fibreuse par une composition consolidante contenant un précurseur et par transformation du précurseur par pyrolyse, puis que l’on densifie par infiltration chimique en phase gazeuse, de sorte à obtenir une dite chambre de combustion (100) à intérieur creux, la chambre de combustion réalisée présentant, à une extrémité opposée à la paroi de fond, une ouverture définissant une sortie de gaz et ayant une section plus étroite que d’autres sections internes de la chambre de combustion, de sorte que plusieurs dits tiroirs (210) de l’outillage (200) présentent des contre-dépouilles, au moins un autre dit tiroir présentant une dépouille (211c) ou ni dépouille ni contredépouille,

   - puis on retire lesdits tiroirs (210) de l’outillage hors de l’intérieur creux de la chambre de combustion, dans un ordre prédéterminé imposé par les contredépouilles et les positions relatives des tiroirs.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel :

   - la préforme fibreuse (110) que l’on réalise est formée de fils ou câbles,

   - et le précurseur de la composition consolidante est un précurseur de carbone ou céramique.
3. 3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de retrait desdits tiroirs hors de l’intérieur creux de la chambre de combustion comprend un déplacement des tiroirs vers l’extérieur à travers l’ouverture de la chambre de combustion.
4. 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel certains au moins des tiroirs (210) mobiles s’étendent par secteurs (210a,210b...) autour d’un axe (X) autour duquel la chambre de combustion s’étend annulairement.
5. 5. Procédé selon les revendications 3 et 4 dans lequel :

   - lesdits tiroirs (210) à contre-dépouilles sont sectorisés, et

   - lors de l’étape de retrait desdits tiroirs hors de l’intérieur creux de la chambre de combustion (100), on déplace à travers l’ouverture (70) de la chambre de combustion tous les tiroirs.
6. 6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on réalise ledit outillage (200) en métal.
7. 7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau composite thermostructural est du CMC.
8. 8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on réalise ladite chambre de combustion (100) sur et autour de l’outillage (200), uniquement, sans donc d’autre partie de conformation qui serait disposée autour de la préforme fibreuse (110) ou de ladite chambre de combustion.