FR3114532A1 - Procédé de fabrication d’une pièce creuse en CMC - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’une pièce creuse en CMC L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en CMC creuse utilisant un noyau hybride (1) comprenant une âme (10) et un revêtement en carbone (12), ou en silicium ou alliage de silicium. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Procédé de fabrication d’une pièce creuse en CMC
L’invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces en matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, dites pièces en CMC, qui comprennent une partie creuse.
Pour fabriquer une pièce creuse, il est connu des techniques de fonderie à la cire perdue d’utiliser un noyau en céramique oxyde ou en métal réfractaire pour former la partie creuse, puis d’éliminer ce noyau par dissolution chimique (aussi appelée étape de décochage). Lors de cette étape, les pièces peuvent être placées dans un autoclave, à pression et température élevées, puis différents cycles de lavage à l’aide de bains chimiques (basiques : NaOH et/ou KOH ou acides par exemple HF) peuvent être appliqués.
Néanmoins, l’application directe de ces techniques à la fabrication de pièces en CMC peut conduire lors de la dissolution chimique à un endommagement de ces pièces par réaction avec les bains chimiques utilisés, par exemple l’interphase de nitrure de bore ou le carbure de silicium de la matrice peuvent être consommés durant cette étape.
Il est souhaitable de disposer d’un procédé de fabrication d’une pièce en CMC creuse permettant d’éliminer le noyau sans affecter la pièce, tout en conservant une mise en œuvre simple.
L’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce creuse en matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, comprenant au moins :
- la formation d’un ensemble comprenant une préforme fibreuse ayant la forme de la pièce à fabriquer et définissant une cavité interne dans laquelle est présente un noyau, le noyau ayant une âme recouverte d’un revêtement fugitif de carbone, ou d’un revêtement fugitif de silicium ou d’un alliage de silicium, l’âme étant en un matériau différent du matériau du revêtement fugitif,
- la formation d’une phase de matrice céramique dans la porosité de la préforme fibreuse autour de l’âme du noyau,
- l’élimination du revêtement fugitif du noyau par traitement thermique, et
- l’évacuation de l’âme du noyau à l’extérieur de la cavité interne après élimination du revêtement fugitif.
Dans la suite, l’expression « pièce en matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique » sera désignée par l’expression « pièce en CMC » pour des raisons de concision.
Le noyau est hybride et présente un revêtement de carbone, ou bien un revêtement de silicium ou d’un alliage de silicium. Ce revêtement est formé d’un matériau fugitif qui peut être éliminé sous l’effet d’un traitement thermique, afin de permettre l’évacuation de l’âme de la cavité interne suite à cette élimination. Cette évacuation est ainsi réalisée mécaniquement de manière simple sans avoir à utiliser de bain chimique susceptible d’altérer la pièce en CMC obtenue.
Dans un exemple de réalisation, le revêtement fugitif est en carbone et est éliminé par traitement thermique d’oxydation après formation de la phase de matrice céramique.
En particulier, le traitement thermique d’oxydation peut être effectué à une température supérieure ou égale à 600°C sous air.
En variante, le revêtement fugitif est en silicium ou en alliage de silicium, et le revêtement est éliminé par fusion et le matériau du revêtement infiltre à l’état fondu la porosité de la préforme fibreuse afin de former la phase de matrice céramique.
Selon cette variante, il y a élimination du revêtement de l’âme du noyau par fusion de ce revêtement. Dans ce cas, le revêtement sert de source de silicium pour former la phase de matrice céramique. La formation de la phase de matrice céramique s’effectue ici de manière concomitante à l’élimination du revêtement.
Dans un exemple de réalisation, l’âme est en matériau oxyde.
La mise en œuvre d’un noyau ayant une âme en matériau oxyde permet de fabriquer à bas coût une partie massive du noyau.
Dans un exemple de réalisation, des fils de la préforme fibreuse sont revêtus d’une interphase de nitrure de bore (BN).
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse comprend des fils céramiques, par exemple des fils de carbure de silicium (SiC).
L’invention vise également une pièce de turbomachine fabriquée par le procédé décrit plus haut.
Dans un exemple de réalisation, la pièce est un distributeur de turbomachine ou une partie d’un distributeur de turbomachine.
La représente, de manière schématique et partielle, une étape d’un premier exemple de procédé selon l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, une étape du premier exemple de procédé selon l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, une étape du premier exemple de procédé selon l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, une étape d’un deuxième exemple de procédé selon l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, une étape du deuxième exemple de procédé selon l’invention.
La représente, de manière schématique et partielle, une étape du deuxième exemple de procédé selon l’invention.
On va décrire, en lien avec les figures 1 à 3, le déroulement d’un premier exemple de procédé selon l’invention dans lequel un noyau 1 à revêtement 12 de carbone est utilisé.
Une préforme fibreuse 3 de la pièce à obtenir est tout d’abord formée de manière connue en soi, par exemple par tissage de fils. Le tissage peut être un tissage tridimensionnel, par exemple à armure interlock. Les fils peuvent être en céramique, par exemple en carbure de silicium, ou en carbone. La préforme fibreuse 3 est destinée à former le renfort fibreux de la pièce à obtenir.
La préforme fibreuse 3 peut définir une cavité interne 5 dans laquelle un noyau 1 peut être inséré. Avant insertion du noyau 1, les fils de la préforme peuvent avoir été revêtus d’une interphase. L’interphase a une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l’interphase après s’être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture de fils par de telles fissures. En variante, la formation de l’interphase peut être faite après insertion du noyau 1 dans la préforme 3. L’interphase peut être en nitrure de bore. Les techniques de formation d’une interphase sont connues en soi et ne nécessitent pas d’être davantage détaillées ici.
Après insertion du noyau 1, on obtient un ensemble 9 comprenant la préforme fibreuse 3 autour du noyau 1. Le noyau 1 est présent à l’intérieur de la cavité interne 5. Le noyau 1 peut présenter la même forme et les mêmes dimensions que la partie creuse de la pièce à obtenir. Le noyau 1 peut remplir intégralement la cavité interne 5. Une fois inséré le noyau 1 peut aller d’un bout 3a à l’autre 3b de la préforme, c’est-à-dire la traverser entièrement. Le noyau 1 est en contact avec la préforme 3. L’ensemble 9 peut être présent dans un conformateur permettant de mettre la préforme 3 entourant le noyau 1 à la forme souhaitée.
Le noyau 1 est formé de différents matériaux et comprend, dans l’exemple illustré, une âme 10 en matériau distinct du carbone revêtue d’un revêtement 12 de carbone. Le revêtement 12 peut être en carbone pyrolytique. Comme illustré, le revêtement 12 peut être au contact de l’âme 10. Le revêtement 12 peut être mono-couche. Le revêtement 12 peut être au contact de la préforme fibreuse 3 située autour du noyau 1.
L’âme 10 est en matériau réfractaire, stable aux conditions de mise en œuvre. L’âme 10 peut être en matériau céramique, par exemple en carbure de silicium ou en oxyde, ou en variante être métallique, par exemple en superalliage. Dans le cas où l’âme 10 est en oxyde, elle peut comprendre de la silice (SiO2), de l’alumine (Al2O3) et/ou de la zircone (ZrO2). L’âme 10 peut être obtenue par un procédé de moulage par injection ou par fabrication additive. On a représenté une âme de forme sensiblement cylindrique, mais on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque celle-ci a une autre forme, comme une forme parallélépipédique par exemple.
Une fois l’âme 10 obtenue, le revêtement 12 peut être formé sur celle-ci, par exemple de sorte à recouvrir intégralement sa surface S destinée à être entourée par la préforme 3. Le revêtement 12 peut recouvrir l’intégralité de la surface S de l’âme 10, comme illustré. De manière alternative, le revêtement 12 peut recouvrir partiellement la surface S, seulement sur les zones de cette surface S en regard de la préforme 3. Le revêtement 12 peut être formé sur l’âme 10 par dépôt en phase vapeur, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Deposition » ; « CVD ») ou dépôt physique en phase vapeur (« Physical Vapor Deposition » ; « PVD »), par technique de caléfaction ou de pyrolyse de polymère. Dans certains cas, le dépôt du revêtement 12 peut être suivi d’un traitement thermique afin de consolider le revêtement 12, et l’âme 10 éventuellement.
L’épaisseure1du revêtement 12 peut aller quelques nanomètres à quelques millimètres. Cette épaisseure1peut être comprise entre 1 nm et 10 mm.
Le procédé se poursuit par la densification de la préforme 3 entourant le noyau 1, c’est-à-dire par la formation d’une matrice dans la porosité de cette préforme 3. La matrice peut comprendre au moins une phase de matrice céramique, par exemple en carbure de silicium. La phase de matrice céramique peut être obtenue par infiltration chimique en phase vapeur ou infiltration de silicium ou d’un alliage de silicium à l’état fondu. On peut en particulier réaliser une première étape de formation d’une première phase de matrice céramique par infiltration chimique en phase vapeur suivie d’une deuxième étape de formation d’une deuxième phase de matrice céramique par infiltration de silicium ou d’un alliage de silicium à l’état fondu. On obtient ainsi la pièce en CMC 15 comprenant la préforme fibreuse 3 densifiée par au moins une phase de matrice céramique 17.
Une fois la pièce 15 en CMC obtenue, le revêtement 12 est éliminé par traitement par une atmosphère oxydante à chaud. Ce traitement peut être effectué une température supérieure ou égale à 600°C, par exemple sous air. L’élimination du revêtement 12 conduit, comme illustré, à l’apparition d’un jeuJentre l’âme 10 et la pièce 15 qui permet d’évacuer l’âme 10 (flèche de retrait R) sans difficulté en dehors de la cavité interne 5. L’évacuation est ici mécanique et ne nécessite, en particulier, pas l’emploi d’un bain chimique. En sortant l’âme 10 de la cavité 5, on libère ainsi la partie creuse 18 de la pièce 15.
On vient de décrire un exemple de réalisation où le revêtement 12 du noyau 1 est en carbone et où l’élimination du revêtement 12 du noyau est faite après formation de la phase de matrice céramique. L’invention n’est toutefois pas limitée à ce cas, le deuxième exemple qui va, à présent, être décrit en lien avec les figures 4 à 6 concerne un revêtement 22 comprenant du silicium recouvrant l’âme du noyau et dans lequel la phase de matrice céramique est formée durant l’élimination du revêtement du noyau.
Les éléments identiques à ceux des figures 1 à 3 portent les mêmes symboles de référence et la description faite plus haut s’applique au cas présent et n’est pas reprise pour des raisons de concision.
Comme décrit plus haut, on obtient un ensemble 19 comprenant le noyau 11 à l’intérieur de la préforme fibreuse 3. Le noyau 11 diffère de celui décrit plus haut en ce qu’il comprend un revêtement 22 de silicium ou d’un alliage de silicium recouvrant l’âme 10 qui est en matériau distinct du revêtement 22. Comme plus haut, le revêtement 22 peut être au contact de l’âme 10. Le revêtement 22 peut être mono-couche. Le revêtement 22 peut être au contact de la préforme fibreuse 3 située autour du noyau 11.
Le revêtement 22 peut être formé sur l’âme 10 par dépôt en phase vapeur, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Deposition » ; « CVD ») ou dépôt physique en phase vapeur (« Physical Vapor Deposition » ; « PVD »), ou par technique de fonderie à la cire perdue.
Le procédé comprend la densification de la préforme 3 entourant le noyau 11. On peut réaliser une première phase de matrice céramique par infiltration chimique en phase vapeur, puis procéder à une infiltration à l’état fondu. Dans cet exemple, l’élimination du revêtement 22 se fait par fusion de ce revêtement 22 sous traitement thermique. La température imposée pour réaliser cette fusion peut être supérieure ou égale à 1400°C. Le revêtement 22 ainsi fondu peut infiltrer par capillarité (flèches I) la porosité de la préforme fibreuse 3. Le revêtement 22 sert de source de silicium pour l’infiltration à l’état fondu. L’épaisseure2du revêtement 22 est déterminée en fonction de la quantité de silicium à apporter pour former la phase de matrice céramique et de sorte à limiter la quantité de silicium en excès conduisant à du silicium libre en fin d’infiltration. L’infiltration à l’état fondu peut être non réactive ou réactive, dans ce dernier cas la préforme fibreuse 3 peut comporter des particules de carbone dans sa porosité réagissant avec le silicium fondu. Lorsque l’infiltration à l’état fondu est terminée, il est possible de récupérer le noyau (flèche R), qui, comme dans l’exemple précédent n’est plus solidaire de la pièce en CMC.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, la pièce obtenue 15 peut avoir une matrice majoritairement en volume en céramique, par exemple intégralement en céramique. Quel que soit le mode de réalisation considéré, la partie creuse 18 de la pièce peut constituer une cavité de refroidissement, au travers de laquelle de l’air de refroidissement est destiné à circuler en fonctionnement.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, la pièce fabriquée peut être une pièce de turbomachine, par exemple de turbomachine aéronautique. La pièce peut être un distributeur ou une partie d’un distributeur de turbomachine. La pièce peut en variante être une aube, fixe ou mobile, de turbine de turbomachine.
L’expression « comprise entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce creuse (15) en matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, comprenant au moins :
    - la formation d’un ensemble (9 ; 19) comprenant une préforme fibreuse (3) ayant la forme de la pièce à fabriquer et définissant une cavité interne (5) dans laquelle est présente un noyau (1 ; 11), le noyau ayant une âme (10) recouverte d’un revêtement fugitif (12) de carbone, ou d’un revêtement fugitif (22) de silicium ou d’un alliage de silicium, l’âme étant en un matériau différent du matériau du revêtement fugitif,
    - la formation d’une phase de matrice céramique dans la porosité de la préforme fibreuse autour de l’âme du noyau,
    - l’élimination du revêtement fugitif du noyau par traitement thermique, et
    - l’évacuation (R) de l’âme du noyau à l’extérieur de la cavité interne après élimination du revêtement fugitif.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le revêtement fugitif (12) est en carbone et est éliminé par traitement thermique d’oxydation après formation de la phase de matrice céramique.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le traitement thermique d’oxydation est effectué à une température supérieure ou égale à 600°C sous air.
  4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le revêtement fugitif (22) est en silicium ou en alliage de silicium, et dans lequel le revêtement est éliminé par fusion et le matériau du revêtement infiltre (I) à l’état fondu la porosité de la préforme fibreuse (3) afin de former la phase de matrice céramique.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’âme est en matériau oxyde.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel des fils de la préforme fibreuse (3) sont revêtus d’une interphase de nitrure de bore.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la préforme fibreuse (3) comprend des fils céramiques.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce fabriquée est une pièce de turbomachine.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la pièce est un distributeur de turbomachine ou une partie d’un distributeur de turbomachine.
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