FR3114812A1 - Composite material part having improved thermomechanical compatibility with a metallic element - Google Patents

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Abstract

Pièce en matériau composite ayant une compatibilité thermomécanique améliorée avec un élément métallique La présente invention concerne une pièce (1) en matériau composite à matrice céramique à renfort particulaire (12 ; 24 ; 30) dont la matrice a un coefficient de dilatation thermique augmenté dans une région (22) destinée à définir une surface d’assemblage (S) avec un élément métallique (3). Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Composite material part with compatibility improved thermomechanical with a metallic element The present invention relates to a part (1) made of a ceramic matrix composite material with particulate reinforcement (12; 24; 30) whose matrix has an increased coefficient of thermal expansion in a region (22) intended to define an assembly surface ( S) with a metallic element (3). Figure for abstract: Fig. 1.

Description

Pièce en matériau composite ayant une compatibilitéthermomécanique améliorée avec un élément métalliqueComposite material part having improved thermomechanical compatibility with a metallic element

La présente invention concerne une pièce en matériau composite à matrice céramique ayant un renfort particulaire, formé par exemple par des fibres courtes, et ayant une meilleure compatibilité thermomécanique avec un élément métallique auquel elle est assemblée.The present invention relates to a part made of composite material with a ceramic matrix having a particulate reinforcement, formed for example by short fibers, and having better thermomechanical compatibility with a metallic element to which it is assembled.

Les matériaux composites à matrice céramique présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées.Ceramic matrix composite materials have good mechanical properties making them suitable for forming structural elements and advantageously retain these properties at high temperatures.

Ces matériaux peuvent être assemblés à des éléments métalliques, comme par exemple dans le cas de secteurs d’anneau de turbine en composite à matrice céramique assemblés à des parties d’accrochage métalliques d’une structure de support d’anneau. En fonctionnement à chaud, l’élément métallique se dilate davantage que le matériau composite à matrice céramique ce qui peut conduire à une mise sous contrainte mécanique de ce dernier et à sa fragilisation.These materials can be assembled with metal elements, as for example in the case of turbine ring sectors made of ceramic matrix composite assembled with metal attachment parts of a ring support structure. In hot operation, the metallic element expands more than the ceramic matrix composite material, which can lead to mechanical stressing of the latter and to its embrittlement.

Il est donc souhaitable de disposer d’une solution relativement simple pour améliorer la compatibilité thermomécanique entre une pièce en matériau composite à matrice céramique et l’élément métallique auquel elle est assemblée.It is therefore desirable to have a relatively simple solution to improve the thermomechanical compatibility between a part made of composite material with a ceramic matrix and the metal element to which it is assembled.

L’invention propose une pièce en matériau composite comprenant au moins un renfort particulaire dispersé dans une matrice céramique,
la pièce comprenant au moins une première portion thermostructurale et une deuxième portion d’adaptation thermomécanique à un élément métallique distincte de la première portion, la matrice présentant une composition évolutive entre la première portion et la deuxième portion, la deuxième portion comprenant au moins une première région, destinée à définir une surface d’assemblage à l’élément métallique, dans laquelle la matrice est formée par un premier matériau céramique ayant un premier coefficient de dilatation thermique qui est supérieur à un coefficient de dilatation thermique d’un matériau céramique thermostructural formant la matrice dans la première portion.The invention proposes a part made of composite material comprising at least one particulate reinforcement dispersed in a ceramic matrix,
the part comprising at least a first thermostructural portion and a second portion for thermomechanical adaptation to a metal element distinct from the first portion, the matrix having a composition that changes between the first portion and the second portion, the second portion comprising at least a first region, intended to define an assembly surface with the metallic element, in which the matrix is formed by a first ceramic material having a first coefficient of thermal expansion which is greater than a coefficient of thermal expansion of a thermostructural ceramic material forming the matrix in the first portion.

Sauf mention contraire, les coefficients de dilatation thermique sont pris à 800°C et exprimés en K-1.Unless otherwise stated, the coefficients of thermal expansion are taken at 800° C. and expressed in K -1 .

L’invention propose une pièce ayant une matrice céramique à composition évolutive qui présente un coefficient de dilatation thermique augmenté sur la surface d’assemblage à l’élément métallique, c’est-à-dire un coefficient de dilatation thermique plus proche de celui de l’élément métallique sur cette surface. La pièce selon l’invention présente ainsi une compatibilité thermomécanique améliorée avec l’élément métallique auquel elle est assemblée grâce à la présence de la deuxième portion, tout en conservant ses propriétés thermostructurales du fait de la présence de la première portion. L’invention permet ainsi de réduire les contraintes résultant de la dilatation différentielle de la pièce et de l’élément métallique, et par conséquent d’éviter de fragiliser cette dernière en fonctionnement. Il est proposé une solution relativement simple pour intégrer avec une bonne compatibilité thermomécanique une pièce en matériau composite à matrice céramique à un élément métallique, ne nécessitant en particulier pas la mise en œuvre d’un système d’intégration tiers d’interface qui complexifierait et alourdirait l’assemblage.The invention proposes a part having a ceramic matrix with an evolving composition which has an increased coefficient of thermal expansion on the assembly surface with the metallic element, that is to say a coefficient of thermal expansion closer to that of the metallic element on this surface. The part according to the invention thus has improved thermomechanical compatibility with the metallic element to which it is assembled thanks to the presence of the second portion, while retaining its thermostructural properties due to the presence of the first portion. The invention thus makes it possible to reduce the stresses resulting from the differential expansion of the part and of the metallic element, and consequently to avoid weakening the latter in operation. A relatively simple solution is proposed for integrating with good thermomechanical compatibility a part made of composite material with a ceramic matrix into a metal element, in particular not requiring the implementation of a third-party interface integration system which would complicate and would weigh down the assembly.

Dans un exemple de réalisation, la deuxième portion comprend en outre une deuxième région, située entre la première portion et la première région, dans laquelle la matrice est formée par un deuxième matériau céramique ayant un deuxième coefficient de dilatation thermique qui est supérieur au coefficient de dilatation thermique du matériau thermostructural et inférieur au premier coefficient de dilatation thermique.In an exemplary embodiment, the second portion further comprises a second region, located between the first portion and the first region, in which the matrix is formed by a second ceramic material having a second coefficient of thermal expansion which is greater than the coefficient of thermal expansion of the thermostructural material and less than the first coefficient of thermal expansion.

La présence de la deuxième région dans laquelle la matrice a un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre celui de la matrice dans la première région et dans la première portion contribue à améliorer la compatibilité thermomécanique des différentes portions de la pièce entre elles.The presence of the second region in which the matrix has an intermediate thermal expansion coefficient between that of the matrix in the first region and in the first portion contributes to improving the thermomechanical compatibility of the different portions of the part with each other.

En particulier, le premier matériau et le deuxième matériau peuvent chacun comprendre un constituant d’adaptation thermomécanique céramique dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur au coefficient de dilatation thermique du matériau thermostructural, et une teneur volumique en constituant d’adaptation dans le premier matériau peut être supérieure à une teneur volumique en constituant d’adaptation dans le deuxième matériau.In particular, the first material and the second material can each comprise a ceramic thermomechanical matching constituent whose thermal expansion coefficient is greater than the thermal expansion coefficient of the thermostructural material, and a volume content of matching constituent in the first material may be greater than a volume content of adaptation constituent in the second material.

Dans ce cas, la variation du coefficient de dilatation thermique de la matrice est contrôlée dans la deuxième portion, de manière relativement simple, en faisant varier la teneur volumique en constituant d’adaptation.In this case, the variation of the coefficient of thermal expansion of the matrix is controlled in the second portion, in a relatively simple way, by varying the volume content of the adaptation constituent.

Dans un exemple de réalisation, le premier coefficient de dilatation thermique, et éventuellement le deuxième coefficient de dilatation thermique, présente un écart avec le coefficient de dilatation thermique du matériau thermostructural supérieur ou égal à 3*10-6K-1.In an exemplary embodiment, the first coefficient of thermal expansion, and possibly the second coefficient of thermal expansion, has a difference with the coefficient of thermal expansion of the thermostructural material greater than or equal to 3*10 -6 K -1 .

Dans un exemple de réalisation, le renfort particulaire comprend des fibres courtes ayant une longueur moyenne comprise entre 50 µm et 5000 µm.In an exemplary embodiment, the particulate reinforcement comprises short fibers having an average length of between 50 μm and 5000 μm.

Sauf mention contraire, une dimension « moyenne » désigne la dimension donnée par la distribution granulométrique statistique à la moitié de la population, dite d50.Unless otherwise stated, an “average” dimension designates the dimension given by the statistical particle size distribution to half of the population, called d 50 .

En variante ou en combinaison avec les fibres courtes, le renfort particulaire peut comporter des grains, ayant par exemple une forme sphérique ou ellipsoïdale.As a variant or in combination with the short fibers, the particulate reinforcement may comprise grains, having for example a spherical or ellipsoidal shape.

Dans un exemple de réalisation, la pièce est une pièce de turbomachine, par exemple une pièce de turbomachine aéronautique.In an exemplary embodiment, the part is a turbomachine part, for example an aeronautical turbomachine part.

La pièce peut être une pièce de turbine à gaz d’un moteur aéronautique ou d’une turbine industrielle. En particulier, la pièce peut constituer une partie au moins d’un distributeur, une paroi d’une chambre de combustion, un secteur d’anneau de turbine ou une aube de turbomachine.The part can be a gas turbine part of an aero engine or an industrial turbine. In particular, the part can constitute at least part of a distributor, a wall of a combustion chamber, a sector of a turbine ring or a turbine engine blade.

L’invention concerne également un ensemble comprenant au moins une pièce telle que décrite plus haut et l’élément métallique assemblé à la pièce sur la surface d’assemblage.The invention also relates to an assembly comprising at least one part as described above and the metal element assembled to the part on the assembly surface.

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce telle que décrite plus haut, comprenant au moins :
- la formation d’une ébauche de la pièce à obtenir comprenant au moins une première portion comprenant une première fraction du renfort particulaire dispersée dans le matériau céramique thermostructural sous forme pulvérulente, et une deuxième portion comprenant au moins une première région comprenant une deuxième fraction du renfort particulaire dispersée dans le premier matériau sous forme pulvérulente, et
- le frittage de l’ébauche.The invention also relates to a method of manufacturing a part as described above, comprising at least:
- the formation of a blank of the part to be obtained comprising at least a first portion comprising a first fraction of the particulate reinforcement dispersed in the thermostructural ceramic material in powder form, and a second portion comprising at least a first region comprising a second fraction of the particulate reinforcement dispersed in the first material in powder form, and
- the sintering of the blank.

Les première et deuxième portions de l’ébauche sont destinées à former après frittage les première et deuxième portions de la pièce. La première région de l’ébauche est destinée à former après frittage la première région de la pièce.The first and second portions of the blank are intended to form the first and second portions of the part after sintering. The first region of the blank is intended to form after sintering the first region of the part.

Dans un exemple de réalisation, la deuxième portion de l’ébauche comprend en outre une deuxième région, située entre la première portion et la première région, comprenant une troisième fraction du renfort particulaire dispersée dans le deuxième matériau sous forme pulvérulente.In an exemplary embodiment, the second portion of the blank further comprises a second region, located between the first portion and the first region, comprising a third fraction of the particulate reinforcement dispersed in the second material in powder form.

De manière similaire, la deuxième région de l’ébauche est destinée à former après frittage la deuxième région de la pièce.Similarly, the second region of the blank is intended to form the second region of the part after sintering.

En particulier, le frittage peut être réalisé par pressage à chaud, le frittage étant par exemple un frittage flash (également connu sous l’acronyme « SPS », de l’anglais « Spark Plasma Sintering »).In particular, the sintering can be carried out by hot pressing, the sintering being for example flash sintering (also known by the acronym “SPS”, from the English “Spark Plasma Sintering”).

La représente, de manière schématique et partielle, un exemple d’ensemble selon l’invention. There schematically and partially represents an example of an assembly according to the invention.

La est un ordinogramme relatif à un exemple de procédé selon l’invention. There is a flowchart relating to an example of a method according to the invention.

Dans la suite pour des raisons de concision, l’expression « coefficient de dilatation thermique » sera désignée par « CET ». De même, l’expression « matériau composite à matrice céramique » sera désignée par « matériau CMC ».In the following, for reasons of brevity, the expression "coefficient of thermal expansion" will be referred to as "CET". Similarly, the expression “ceramic matrix composite material” will be referred to as “CMC material”.

On a représenté, à la , de manière schématique un exemple d’ensemble E selon l’invention qui comprend une pièce 1 en matériau CMC assemblée à un élément métallique 3 sur une surface d’assemblage S.We represented, at the , schematically an example of an assembly E according to the invention which comprises a part 1 made of CMC material assembled to a metal element 3 on an assembly surface S.

La pièce 1 comprend une première portion 10 thermostructurale dont la présence confère à la pièce 1 la tenue souhaitée dans les conditions d’utilisation, notamment à haute température, typiquement supérieure ou égale à 800°C. La première portion 10 comprend une première fraction 12 du renfort particulaire qui est dispersée dans une matrice formée par un matériau céramique thermostructural 14. Le matériau céramique thermostructural 14 peut comprendre un matériau de matrice habituellement utilisé dans les pièces CMC, comme un carbure tel que le carbure de silicium (SiC). Dans la première portion 10, la teneur volumique en renfort particulaire 12 peut être comprise entre 10% et 50%, par exemple entre 15% et 35%, et la teneur volumique en matériau thermostructural 14 comprise entre 50% et 90%, par exemple entre 65% et 85%. La première portion 10 peut être une portion de cœur de la pièce 1, c’est-à-dire une portion interne de celle-ci ne définissant pas une surface extérieure de la pièce.Part 1 comprises a first thermostructural portion 10, the presence of which gives part 1 the desired resistance under the conditions of use, in particular at high temperature, typically greater than or equal to 800° C. The first portion 10 comprises a first fraction 12 of the particulate reinforcement which is dispersed in a matrix formed by a thermostructural ceramic material 14. The thermostructural ceramic material 14 can comprise a matrix material usually used in CMC parts, such as a carbide such as silicon carbide (SiC). In the first portion 10, the volume content of particulate reinforcement 12 may be between 10% and 50%, for example between 15% and 35%, and the volume content of thermostructural material 14 between 50% and 90%, for example between 65% and 85%. The first portion 10 can be a core portion of the part 1, that is to say an internal portion of the latter not defining an outer surface of the part.

La matrice céramique a une composition variable dans la pièce 1 de sorte à présenter un CET augmenté au niveau de la surface d’assemblage S avec l’élément métallique 3, améliorant ainsi la compatibilité thermomécanique avec celui-ci.The ceramic matrix has a variable composition in the part 1 so as to present an increased CET at the assembly surface S with the metallic element 3, thus improving the thermomechanical compatibility with the latter.

Ainsi, la pièce 1 comprend une deuxième portion 20, distincte de la première portion 10, qui comprend au moins une première région 22 définissant la surface d’assemblage S à l’élément métallique 3. La première portion 10 peut être recouverte par la première région 22. La première région 22 comprend une deuxième fraction 24 du renfort particulaire dispersée dans un premier matériau 26 de matrice céramique qui présente un premier CET supérieur au CET du matériau thermostructural 14. La première région 22 peut être située du côté extérieur de la pièce 1. La première région 22 est située en regard de l’élément métallique 3. L’élément métallique 3 peut être destiné à être en contact avec la matrice de la pièce 1 sur la surface d’assemblage S, ou simplement assemblé à celle-ci sans être contact avec cette matrice par exemple lorsqu’une barrière de diffusion recouvre la surface d’assemblage S de sorte à limiter les interactions chimiques entre l’élément métallique 3 et la pièce 1 en fonctionnement.Thus, the part 1 comprises a second portion 20, distinct from the first portion 10, which comprises at least a first region 22 defining the assembly surface S to the metal element 3. The first portion 10 can be covered by the first region 22. The first region 22 comprises a second fraction 24 of the particulate reinforcement dispersed in a first ceramic matrix material 26 which has a first CTE higher than the CTE of the thermostructural material 14. The first region 22 can be located on the exterior side of the part 1. The first region 22 is located opposite the metallic element 3. The metallic element 3 can be intended to be in contact with the die of the part 1 on the assembly surface S, or simply assembled to it. ci without being in contact with this matrix, for example when a diffusion barrier covers the assembly surface S so as to limit the chemical interactions between the metallic element 3 and the part 1 in operation. ment.

La différence entre le premier CET et le CET du matériau thermostructural 14 peut être supérieure ou égale à 3*10-6K-1, par exemple comprise entre 3*10-6K-1et 4*10-6K-1. La différence entre le CET de l’élément métallique 3 et le premier CET peut être inférieure ou égale à 7*10-6K-1, par exemple comprise entre 4*10-6K-1et 7*10-6K-1, le CET de l’élément métallique 3 étant supérieur au premier CET.The difference between the first CET and the CET of the thermostructural material 14 can be greater than or equal to 3*10 -6 K -1 , for example between 3*10 -6 K -1 and 4*10 -6 K -1 . The difference between the CET of the metallic element 3 and the first CET can be less than or equal to 7*10 -6 K -1 , for example between 4*10 -6 K -1 and 7*10 -6 K - 1 , the CET of the metallic element 3 being greater than the first CET.

Dans la première région 22, la teneur volumique en renfort particulaire 24 peut être comprise entre 10% et 50%, par exemple entre 15% et 35%, et la teneur volumique en premier matériau 26 comprise entre 50% et 90%, par exemple entre 65% et 85%.In the first region 22, the volume content of particulate reinforcement 24 may be between 10% and 50%, for example between 15% and 35%, and the volume content of first material 26 between 50% and 90%, for example between 65% and 85%.

Dans l’exemple illustré, la deuxième portion 20 comprend en outre, une deuxième région 28, située entre la première portion 10 et la première région 22. La deuxième région 28 comprend une troisième fraction 30 du renfort particulaire dispersée dans un deuxième matériau 32 de matrice céramique qui présente un deuxième CET supérieur au CET du matériau thermostructural 14 et inférieur au premier CET. La deuxième région 28 peut être recouverte par la première région 22 et peut recouvrir la première portion 10. La deuxième région 28 peut être au contact de la première région 22. La deuxième région 28 peut être au contact de la première portion 10.In the example illustrated, the second portion 20 further comprises a second region 28, located between the first portion 10 and the first region 22. The second region 28 comprises a third fraction 30 of the particulate reinforcement dispersed in a second material 32 of ceramic matrix which has a second CET higher than the CET of the thermostructural material 14 and lower than the first CET. Second region 28 may be covered by first region 22 and may cover first portion 10. Second region 28 may be in contact with first region 22. Second region 28 may be in contact with first portion 10.

La différence entre le deuxième CET et le CET du matériau thermostructural 14 peut être supérieure ou égale à 1*10-6K-1, par exemple comprise entre 1*10-6K-1et 2*10-6K-1.The difference between the second CET and the CET of the thermostructural material 14 can be greater than or equal to 1*10 -6 K -1 , for example between 1*10 -6 K -1 and 2*10 -6 K -1 .

La différence entre le premier CET et le deuxième CET peut être supérieure ou égale à 0,25*10-6K-1, par exemple supérieure ou égale à 0,5*10-6K-1. Cette différence peut être inférieure ou égale à 2*10-6K-1, par exemple inférieure ou égale à 1*10-6K-1, par exemple inférieure ou égale à 0,5*10-6K-1. Cette différence peut être comprise entre 0,25*10-6K-1et 2*10-6K-1, par exemple entre 0,5*10-6K-1et 2*10-6K-1, par exemple entre 0,5*10-6K-1et 1*10-6K-1. Cette différence peut encore être comprise entre 0,25*10-6K-1et 1*10-6K-1, par exemple entre 0,25*10-6K-1et 0,5*10-6K-1. The difference between the first TEC and the second TEC can be greater than or equal to 0.25*10 -6 K -1 , for example greater than or equal to 0.5*10 -6 K -1 . This difference may be less than or equal to 2*10 -6 K -1 , for example less than or equal to 1*10 -6 K -1 , for example less than or equal to 0.5*10 -6 K -1 . This difference can be between 0.25*10 -6 K -1 and 2*10 -6 K -1 , for example between 0.5*10 -6 K -1 and 2*10 -6 K -1 , for example between 0.5*10 -6 K -1 and 1*10 -6 K -1 . This difference can also be between 0.25*10 -6 K -1 and 1*10 -6 K -1 , for example between 0.25*10 -6 K -1 and 0.5*10 -6 K - 1 .

Dans la deuxième région 28, la teneur volumique en renfort particulaire 30 peut être comprise entre 10% et 50%, par exemple entre 15% et 35%, et la teneur volumique en deuxième matériau 32 comprise entre 50% et 90%, par exemple entre 65% et 85%.In the second region 28, the volume content of particulate reinforcement 30 can be between 10% and 50%, for example between 15% and 35%, and the volume content of second material 32 can be between 50% and 90%, for example between 65% and 85%.

Le renfort particulaire 12, 24 et 30 peut être sous la forme de fibres courtes. La longueur moyenne des fibres courtes est comprise entre 50 µm et 5000 µm, par exemple entre 50 µm et 1000 µm, par exemple entre 100 µm et 500 µm. Le matériau formant le renfort particulaire 12, 24 et 30 peut ou non être identique dans la première 10 et la deuxième portion 20. Le renfort particulaire 12, 24 et 30 peut être en matériau céramique, par exemple en carbure, par exemple en carbure de silicium. Le renfort particulaire 12, 24 et 30 est, de préférence, identique dans la première 10 et la deuxième portion 20. La teneur volumique en renfort particulaire 12, 24 et 30 peut être identique ou non dans la première 10 et la deuxième portion 20. Le renfort particulaire 12, 24 et 30 peut être revêtu d’une interphase présente entre le renfort et la matrice. L’interphase peut comporter au moins une couche de carbone pyrolytique (PyC), de nitrure de bore (BN), de nitrure de bore dopé au silicium (BN(Si), avec du silicium en une proportion massique comprise entre 5% et 40%, le complément étant du nitrure de bore), de nitrure de silicium (Si3N4) ou de carbone dopé au bore (BC, avec du bore en une proportion atomique comprise entre 5% et 20%, le complément étant du carbone). L’interphase a ici 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 du renfort par de telles fissures. L’épaisseur de l’interphase peut par exemple être comprise entre 10 nm et 1000 nm, et par exemple entre 10 nm et 100 nm. L’interphase peut être formée par des techniques connues en soi.The particulate reinforcement 12, 24 and 30 may be in the form of short fibers. The average length of the short fibers is between 50 μm and 5000 μm, for example between 50 μm and 1000 μm, for example between 100 μm and 500 μm. The material forming the particulate reinforcement 12, 24 and 30 may or may not be identical in the first 10 and the second portion 20. The particulate reinforcement 12, 24 and 30 may be made of ceramic material, for example carbide, for example carbon carbide. silicon. The particulate reinforcement 12, 24 and 30 is preferably identical in the first 10 and the second portion 20. The volume content of particulate reinforcement 12, 24 and 30 may or may not be identical in the first 10 and the second portion 20. The particulate reinforcement 12, 24 and 30 may be coated with an interphase present between the reinforcement and the matrix. The interphase may include at least one layer of pyrolytic carbon (PyC), boron nitride (BN), boron nitride doped with silicon (BN(Si), with silicon in a mass proportion of between 5% and 40 %, the balance being boron nitride), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or boron-doped carbon (BC, with boron in an atomic proportion between 5% and 20%, the balance being carbon ). The interphase here has a function of weakening the composite material which promotes the deflection of any cracks reaching the interphase after having propagated in the matrix, preventing or delaying the rupture of the reinforcement by such cracks. The thickness of the interphase can for example be between 10 nm and 1000 nm, and for example between 10 nm and 100 nm. The interphase can be formed by techniques known per se.

Afin de faire varier le CET dans la matrice, on peut faire varier la teneur d’un constituant d’adaptation commun dans les premier 26 et deuxième 32 matériaux. Ainsi, les premier 26 et deuxième 32 matériaux peuvent chacun comprendre un constituant d’adaptation ayant un CET supérieur au CET du matériau thermostructural 14, permettant d’accroître le CET de la matrice dans la deuxième portion 20. Une première teneur volumique en constituant d’adaptation dans le premier matériau 26 peut être supérieure à une deuxième teneur volumique en constituant d’adaptation dans le deuxième matériau 32 afin de conférer un CET accru au premier matériau 26. La différence entre la première teneur volumique et la deuxième teneur volumique peut être supérieure ou égale à 5%. Le matériau thermostructural 14 peut être dépourvu de constituant d’adaptation, ou en variante comporter le constituant d’adaptation en une teneur volumique limitée, par exemple inférieure ou égale à 50%, par exemple comprise entre 5% et 50%.In order to vary the CET in the matrix, one can vary the content of a common matching constituent in the first 26 and second 32 materials. Thus, the first 26 and second 32 materials can each comprise an adaptation constituent having a CET higher than the CET of the thermostructural material 14, making it possible to increase the CET of the matrix in the second portion 20. A first volume content of constituent of adaptation in the first material 26 can be greater than a second volume content of adaptation constituent in the second material 32 in order to impart an increased CET to the first material 26. The difference between the first volume content and the second volume content can be greater than or equal to 5%. The thermostructural material 14 may be devoid of adaptation constituent, or as a variant comprise the adaptation constituent in a limited volume content, for example less than or equal to 50%, for example between 5% and 50%.

Le constituant d’adaptation peut par exemple être un disiliciure métallique, par exemple un disiliciure d’un métal de transition, par exemple choisi parmi le disiliciure de titane (TiSi2, ayant un CET d’environ 8,5*10-6K-1à 800°C) ou le disiliciure de molybdène (MoSi2, ayant un CET d’environ 8*10-6K-1à 800°C). On notera que, selon un exemple, on peut mélanger plusieurs disiliciures métalliques dans des teneurs différentes pour former les premier 26 et deuxième 32 matériaux. En variante ou en combinaison, le deuxième matériau 32, et éventuellement le premier matériau 26, peut comprendre un mélange d’au moins un disiliciure métallique avec une céramique carbure, comme du carbure de silicium. Selon un exemple, le premier matériau 26 peut être constitué essentiellement par le constituant d’adaptation.The adaptation constituent can for example be a metal disilicide, for example a disilicide of a transition metal, for example chosen from titanium disilicide (TiSi 2 , having a CET of approximately 8.5*10 -6 K -1 at 800°C) or molybdenum disilicide (MoSi 2 , having a CTE of approximately 8*10 -6 K -1 at 800°C). It will be noted that, according to one example, several metal disilicides can be mixed in different contents to form the first 26 and second 32 materials. As a variant or in combination, the second material 32, and optionally the first material 26, can comprise a mixture of at least one metal disilicide with a ceramic carbide, such as silicon carbide. According to one example, the first material 26 can consist essentially of the adaptation constituent.

Le choix du constituant d’adaptation est fonction de l’application et de la nature de l’élément métallique 3. Le choix du disiliciure de titane ou du disiliciure de molybdène comme constituant d’adaptation est avantageux dans le cas notamment où l’élément métallique 3 est un superalliage à base nickel, par exemple de l’Inconel® 738, le matériau thermostructural 14 du carbure de silicium et le renfort particulaire 12, 24 et 30 en carbure de silicium.The choice of the adaptation constituent depends on the application and the nature of the metallic element 3. The choice of titanium disilicide or molybdenum disilicide as adaptation constituent is advantageous in the case in particular where the element metal 3 is a nickel-based superalloy, for example Inconel® 738, the thermostructural material 14 of silicon carbide and the particulate reinforcement 12, 24 and 30 of silicon carbide.

On vient de décrire un exemple où la deuxième portion 20 présente deux régions 22 et 28 dans lesquelles le matériau de matrice 26 et 32 a un CET accru par rapport au matériau thermostructural 14. Néanmoins, on ne sort pas du cadre de l’invention si la deuxième portion comprend une seule région ayant un matériau de matrice à CET accru, cette région formant la surface d’assemblage à l’élément métallique, c’est-à-dire seulement la première région 22. On ne sort pas non plus du cadre de l’invention si la deuxième portion comprend au moins trois régions ayant un matériau de matrice à CET accru, ce qui permet de lisser davantage le gradient de composition de la matrice sur un plus grand nombre de régions afin d’avoir une compatibilité thermomécanique optimisée au sein de la pièce. Dans ce dernier cas par rapport à l’exemple illustré à la , la deuxième portion comprend en plus au moins une troisième région, située entre la première portion 10 et la deuxième région 28, dans laquelle la matrice est formée par un troisième matériau céramique ayant un troisième CET qui est supérieur au CET du matériau thermostructural 14 et inférieur au deuxième CET. La troisième région peut comprendre une quatrième fraction du renfort particulaire dispersée dans le troisième matériau. La troisième région peut recouvrir la première portion 10 et être recouverte par les deuxième 28 et première 22 régions. La troisième région peut être au contact de la deuxième région 28. La troisième région peut être au contact de la première portion 10. Les teneurs volumiques en renfort particulaire et en matériau de matrice ainsi que les écarts de CET qui ont été décrits plus haut demeurent applicables au cas où une troisième région est présente. Toujours de manière similaire à ce qui a été décrit plus haut, le troisième matériau céramique peut comprendre le constituant d’adaptation tel que décrit plus haut en une teneur volumique inférieure à la teneur volumique dans le deuxième matériau 32. Ainsi, la teneur volumique en constituant d’adaptation dans les régions de la deuxième portion peut augmenter de manière strictement monotone lorsque l’on se déplace en direction de la première région 22. Cette augmentation de la teneur volumique en constituant d’adaptation dans les régions de la deuxième portion peut être linéaire ou non-linéaire. Cette augmentation peut être régulière, c’est-à-dire que les écarts entre les teneurs volumiques en constituant d’adaptation entre deux régions adjacentes peuvent être constants, ou non-régulière. On peut bien entendu avoir plus de trois régions de CET différent dans la deuxième portion en appliquant les caractéristiques qui viennent d’être décrites. D’une manière générale, chaque région de la deuxième portion peut avoir une épaisseur inférieure ou égale à 50 µm. Il peut être avantageux d’augmenter le nombre de régions dans la deuxième portion, en utilisant des régions d’épaisseur relativement faible avec une différence réduite de CET entre deux régions adjacentes afin d’optimiser davantage encore les propriétés thermomécaniques.An example has just been described where the second portion 20 has two regions 22 and 28 in which the matrix material 26 and 32 has an increased CTE compared to the thermostructural material 14. Nevertheless, it is not beyond the scope of the invention if the second portion comprises a single region having a matrix material with increased CTE, this region forming the assembly surface with the metallic element, that is to say only the first region 22. scope of the invention if the second portion comprises at least three regions having a matrix material with increased CET, which makes it possible to further smooth the composition gradient of the matrix over a greater number of regions in order to have thermomechanical compatibility optimized within the room. In the latter case compared to the example illustrated in , the second portion further comprises at least a third region, located between the first portion 10 and the second region 28, in which the matrix is formed by a third ceramic material having a third TEC which is greater than the TEC of the thermostructural material 14 and lower than the second TEC. The third region can comprise a fourth fraction of the particulate reinforcement dispersed in the third material. The third region can cover the first portion 10 and be covered by the second 28 and first 22 regions. The third region may be in contact with the second region 28. The third region may be in contact with the first portion 10. The volume contents of particulate reinforcement and matrix material as well as the CET deviations which have been described above remain applicable if a third region is present. Still similarly to what was described above, the third ceramic material may comprise the adaptation constituent as described above in a volume content lower than the volume content in the second material 32. Thus, the volume content of adaptation constituent in the regions of the second portion can increase in a strictly monotonous manner when one moves in the direction of the first region 22. This increase in the volume content of adaptation constituent in the regions of the second portion can be linear or non-linear. This increase can be regular, that is to say that the differences between the volume contents of adaptation constituent between two adjacent regions can be constant, or non-regular. It is of course possible to have more than three regions of different TEC in the second portion by applying the characteristics which have just been described. In general, each region of the second portion may have a thickness less than or equal to 50 μm. It may be advantageous to increase the number of regions in the second portion, using regions of relatively low thickness with a reduced difference in CTE between two adjacent regions in order to further optimize the thermomechanical properties.

La pièce 1 peut être une pièce de turbomachine, par exemple de turbomachine aéronautique. La pièce peut être une pièce statique ou rotative de turbomachine. La pièce 1 peut être utilisée à une température supérieure ou égale à 800°C en milieu oxydant. A titre d’exemple, la pièce 1 peut être un secteur d’anneau de turbine et l’élément métallique 3 une bride d’une structure de support d’anneau, qui est assemblée à cette pièce 1 pour assurer le montage de celle-ci. L’assemblage de l’élément métallique 3 à la pièce 1 en CMC peut se faire par toute technique connue de l’homme du métier qui ne nécessite pas d’être détaillée ici. Selon un exemple, on peut assembler l’élément métallique 3 à la pièce 1 en CMC par frittage, par exemple par frittage flash, à une température compatible de l’élément métallique 3 afin de créer de la diffusion d’espèces à l’interface S. On vient de décrire des structures possibles pour l’ensemble E et la pièce 1 selon l’invention. La suite s’attache à décrire des détails pouvant être mis en œuvre pour la fabrication de la pièce 1.Part 1 can be a part of a turbomachine, for example an aeronautical turbomachine. The part can be a static or rotating part of a turbomachine. Part 1 can be used at a temperature greater than or equal to 800° C. in an oxidizing medium. By way of example, part 1 can be a sector of a turbine ring and metal element 3 a flange of a ring support structure, which is assembled to this part 1 to ensure the assembly of the latter. this. The assembly of the metal element 3 to the CMC part 1 can be done by any technique known to those skilled in the art which does not need to be detailed here. According to one example, the metallic element 3 can be assembled to the CMC part 1 by sintering, for example by flash sintering, at a temperature compatible with the metallic element 3 in order to create diffusion of species at the interface S. We have just described possible structures for the assembly E and the part 1 according to the invention. The following attempts to describe the details that can be implemented for the manufacture of part 1.

On peut tout d’abord former une ébauche de la pièce 1 à obtenir (étape E1) laquelle présente au moins localement le même agencement que la pièce 1 et comprend plusieurs strates qui comprennent chacune un mélange d’une fraction du renfort particulaire et du matériau de matrice sous forme pulvérulente. La composition du matériau de matrice sous forme pulvérulente dans l’ébauche varie comme décrit plus haut en faisant varier les proportions volumiques des constituants. Ainsi, l’ébauche comprend au moins une première portion, destinée à former la première portion 10 de la pièce 1, comprenant la première fraction du renfort 12 dispersée dans le matériau céramique thermostructural sous forme pulvérulente, et une deuxième portion comprenant au moins une première région comprenant la deuxième fraction du renfort 24 dispersée dans le premier matériau sous forme pulvérulente.It is first possible to form a blank of the part 1 to be obtained (step E1) which has at least locally the same arrangement as the part 1 and comprises several strata which each comprise a mixture of a fraction of the particulate reinforcement and of the material matrix in powder form. The composition of the matrix material in powder form in the blank varies as described above by varying the volume proportions of the constituents. Thus, the blank comprises at least a first portion, intended to form the first portion 10 of the part 1, comprising the first fraction of the reinforcement 12 dispersed in the thermostructural ceramic material in powder form, and a second portion comprising at least a first region comprising the second fraction of the reinforcement 24 dispersed in the first material in powder form.

L’ébauche peut être formée directement dans un moule de pressage à chaud par introduction successive des mélanges formant les différentes strates dans ce moule. Le moule de pressage à chaud peut être un moule adapté au frittage comme un moule de frittage flash. Les mélanges peuvent résulter d’un procédé de moulage par injection de métal (« Metal Injection Molding ») et être introduits dans le moule après déliantage des structures obtenues par ce procédé.The blank can be formed directly in a hot pressing mold by successive introduction of the mixtures forming the different strata into this mold. The hot pressing mold can be a mold suitable for sintering such as a flash sintering mold. The mixtures can result from a metal injection molding process and be introduced into the mold after debinding of the structures obtained by this process.

Le procédé peut, selon un exemple, se poursuivre par un pressage à chaud (étape E2) pour lequel les conditions de pression et de température à mettre en œuvre sont déterminées sans difficulté par l’homme du métier en fonction des matériaux utilisés. A titre d’exemple, la température imposée lors du pressage à chaud peut être supérieure ou égale à 1200°C, par exemple comprise entre 1200°C et 1600°C, et la pression supérieure ou égale à 50 MPa, par exemple comprise entre 50 MPa et 200 MPa, par exemple comprise entre 50 MPa et 150 MPa. L’ébauche est comprimée durant le pressage à chaud. Le volume de l’ébauche peut être réduit d’au moins 5% durant le pressage à chaud, par exemple de 5% à 35%. Le pressage à chaud peut être réalisé directement à la forme souhaitée ou, selon une variante, la pièce peut être obtenue après usinage du bloc de matière obtenu après pressage à chaud. Le pressage à chaud peut résulter en un frittage des constituants, notamment lorsque les matériaux utilisés ont des températures de frittage proches. Il peut y avoir diffusion d’éléments entre les différentes strates lors du pressage à chaud, ce qui permet d’améliorer la cohésion des différentes portions de la pièce obtenue. Par exemple, lorsque l’on utilise du disiliciure de titane et/ou du disiliciure de molybdène dans la portion de l’ébauche destinée à former la deuxième portion de la pièce, la température de frittage peut être d’environ 1400°C et il peut y avoir formation d’eutectiques et autres phases solides de substitution de l’élément molybdène par le titane.The method can, according to one example, continue with hot pressing (step E2) for which the pressure and temperature conditions to be implemented are determined without difficulty by the person skilled in the art depending on the materials used. By way of example, the temperature imposed during the hot pressing may be greater than or equal to 1200° C., for example between 1200° C. and 1600° C., and the pressure greater than or equal to 50 MPa, for example comprised between 50 MPa and 200 MPa, for example between 50 MPa and 150 MPa. The blank is compressed during hot pressing. The volume of the blank can be reduced by at least 5% during hot pressing, for example by 5% to 35%. The hot pressing can be carried out directly to the desired shape or, according to a variant, the part can be obtained after machining the block of material obtained after hot pressing. Hot pressing can result in sintering of the constituents, in particular when the materials used have similar sintering temperatures. There may be diffusion of elements between the different strata during hot pressing, which improves the cohesion of the different portions of the part obtained. For example, when titanium disilicide and/or molybdenum disilicide is used in the portion of the blank intended to form the second portion of the part, the sintering temperature can be around 1400° C. and it there may be formation of eutectics and other solid phases of substitution of the element molybdenum by titanium.

On notera que l’on peut également mettre en œuvre des strates à l’état pré-densifié dans le moule de pressage à chaud. Cela permet d’utiliser des matériaux ayant des températures de frittage différentes. La température de pressage finale peut alors correspondre à celle du matériau ayant la plus faible température de fusion. La durée du traitement peut être déterminée de sorte à permettre de la diffusion entre les différentes couches. On peut encore utiliser un frittage libre sans application de pression.It should be noted that it is also possible to implement strata in the pre-densified state in the hot pressing mould. This allows the use of materials with different sintering temperatures. The final pressing temperature can then correspond to that of the material having the lowest melting temperature. The duration of the treatment can be determined so as to allow diffusion between the different layers. It is also possible to use free sintering without the application of pressure.

L’expression « comprise entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.The expression “between … and …” must be understood as including the limits.

Claims (10)

Pièce (1) en matériau composite comprenant au moins un renfort particulaire (12 ; 24 ; 30) dispersé dans une matrice céramique (14 ; 26 ; 32),
la pièce comprenant au moins une première portion (10) thermostructurale et une deuxième portion (20) d’adaptation thermomécanique à un élément métallique (3) distincte de la première portion, la matrice présentant une composition évolutive entre la première portion et la deuxième portion, la deuxième portion comprenant au moins une première région (22), destinée à définir une surface d’assemblage (S) à l’élément métallique, dans laquelle la matrice est formée par un premier matériau (26) céramique ayant un premier coefficient de dilatation thermique qui est supérieur à un coefficient de dilatation thermique d’un matériau céramique (14) thermostructural formant la matrice dans la première portion.Part (1) made of composite material comprising at least one particulate reinforcement (12; 24; 30) dispersed in a ceramic matrix (14; 26; 32),
the part comprising at least a first thermostructural portion (10) and a second portion (20) for thermomechanical adaptation to a metallic element (3) distinct from the first portion, the matrix having a composition that changes between the first portion and the second portion , the second portion comprising at least a first region (22), intended to define an assembly surface (S) to the metallic element, in which the matrix is formed by a first ceramic material (26) having a first coefficient of thermal expansion which is greater than a coefficient of thermal expansion of a thermostructural ceramic material (14) forming the matrix in the first portion. Pièce (1) selon la revendication 1, dans laquelle la deuxième portion (20) comprend en outre une deuxième région (28), située entre la première portion (10) et la première région (22), dans laquelle la matrice est formée par un deuxième matériau (32) céramique ayant un deuxième coefficient de dilatation thermique qui est supérieur au coefficient de dilatation thermique du matériau thermostructural (14) et inférieur au premier coefficient de dilatation thermique.Part (1) according to Claim 1, in which the second portion (20) further comprises a second region (28), located between the first portion (10) and the first region (22), in which the matrix is formed by a second ceramic material (32) having a second coefficient of thermal expansion which is greater than the coefficient of thermal expansion of the thermostructural material (14) and less than the first coefficient of thermal expansion. Pièce (1) selon la revendication 2, dans laquelle le premier matériau (26) et le deuxième matériau (32) comprennent chacun un constituant d’adaptation thermomécanique céramique dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur au coefficient de dilatation thermique du matériau thermostructural (14), et dans laquelle une teneur volumique en constituant d’adaptation dans le premier matériau est supérieure à une teneur volumique en constituant d’adaptation dans le deuxième matériau.Part (1) according to Claim 2, in which the first material (26) and the second material (32) each comprise a ceramic thermomechanical matching constituent whose thermal expansion coefficient is greater than the thermal expansion coefficient of the thermostructural material ( 14), and wherein a volume content of matching constituent in the first material is greater than a volume content of matching constituent in the second material. Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le premier coefficient de dilatation thermique, et éventuellement le deuxième coefficient de dilatation thermique, présente un écart avec le coefficient de dilatation thermique du matériau thermostructural (14) supérieur ou égal à 3*10-6K-1.Part (1) according to any one of Claims 1 to 3, in which the first coefficient of thermal expansion, and optionally the second coefficient of thermal expansion, has a difference with the coefficient of thermal expansion of the thermostructural material (14) greater than or equal to 3*10 -6 K -1 . Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le renfort particulaire (12 ; 24 ; 30) comprend des fibres courtes ayant une longueur moyenne comprise entre 50 µm et 5000 µm.Part (1) according to any one of Claims 1 to 4, in which the particulate reinforcement (12; 24; 30) comprises short fibers having an average length of between 50 µm and 5000 µm. Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la pièce est une pièce de turbomachine.Part (1) according to any one of claims 1 to 5, in which the part is a turbomachine part. Ensemble (E) comprenant au moins une pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 et l’élément métallique (3) assemblé à la pièce sur la surface d’assemblage (S).Assembly (E) comprising at least one part (1) according to any one of claims 1 to 6 and the metal element (3) assembled to the part on the assembly surface (S). Procédé de fabrication d’une pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins :
- la formation d’une ébauche (E1) de la pièce à obtenir comprenant au moins une première portion comprenant une première fraction (12) du renfort particulaire dispersée dans le matériau céramique thermostructural sous forme pulvérulente, et une deuxième portion (24) comprenant au moins une première région comprenant une deuxième fraction du renfort particulaire dispersée dans le premier matériau sous forme pulvérulente, et
- le frittage de l’ébauche (E2).Method of manufacturing a part (1) according to any one of Claims 1 to 6, comprising at least:
- the formation of a blank (E1) of the part to be obtained comprising at least a first portion comprising a first fraction (12) of the particulate reinforcement dispersed in the thermostructural ceramic material in powder form, and a second portion (24) comprising at at least a first region comprising a second fraction of the particulate reinforcement dispersed in the first material in powder form, and
- the sintering of the blank (E2). Procédé selon la revendication 8, dans lequel la deuxième portion de l’ébauche comprend en outre une deuxième région, située entre la première portion et la première région, comprenant une troisième fraction (30) du renfort particulaire dispersée dans le deuxième matériau sous forme pulvérulente.Method according to claim 8, in which the second portion of the blank further comprises a second region, located between the first portion and the first region, comprising a third fraction (30) of the particulate reinforcement dispersed in the second material in powder form. . Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le frittage est réalisé par pressage à chaud.Method according to claim 8 or 9, wherein the sintering is carried out by hot pressing.
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