FR3121678A1 - Procédé de fabrication d’une pièce creuse utilisant un noyau à composition optimisée pour faciliter son extraction - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’une pièce creuse utilisant un noyau à composition optimisée pour faciliter son extraction La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce creuse en CMC, comprenant au moins :- la formation d’une interphase (E30) par CVI sur les fils d’une préforme fibreuse définissant une cavité interne dans laquelle est présent un noyau de composition oxyde particulière, l’interphase étant formée sous une atmosphère neutre,- la densification de la préforme (E40) après formation de l’interphase par CVI de SiC réalisée sous atmosphère réductrice, le noyau subissant une réduction chimique produisant une réduction de ses dimensions durant cette densification, et- l’extraction du noyau (E50) aux dimensions réduites de la cavité interne. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
L’invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces en matériau composite à matrice au moins partiellement en carbure de silicium, qui comprennent une partie creuse, notamment pour des applications dans des turbomachines aéronautiques.
Les matériaux composites à matrice céramique (matériaux CMC) présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structure et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. Ils permettent également un allègement significatif par rapport à l’emploi d’un matériau métallique.
Les pièces en CMC, comme les distributeurs et les aubes de turbine, peuvent comprendre des canaux internes de refroidissement qui définissent des parties creuses de la pièce. Au-delà de leur fonction de régulation thermique, ces parties creuses permettent d’alléger davantage la pièce ainsi que de réduire les efforts centrifuges dans le cas de pièces rotatives.
Pour fabriquer une pièce creuse, on peut employer, sur le principe des techniques de fonderie à la cire perdue, un noyau en graphite, céramique ou en métal réfractaire afin de définir la forme de la partie creuse, ce noyau étant ensuite éliminé afin de libérer la cavité recherchée. Cette élimination du noyau peut être réalisée par dissolution chimique ou par traitement thermique d’oxydation. Dans le cas de l’élimination chimique, 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, la mise en contact de la pièce en CMC avec le bain chimique peut résulter en un endommagement de la pièce, et notamment à la consommation de l’interphase de nitrure de bore ou du carbure de silicium de la matrice. Le traitement thermique d’oxydation, qui peut être mis en œuvre dans le cas d’un noyau en graphite, comprend l’ajout d’un catalyseur d’oxydation de type acétate de potassium et est relativement long, d’une durée de l’ordre de plusieurs jours, et peut également conduire à une perturbation chimique de la pièce en CMC en produisant une couche d’oxyde non souhaitée en surface des fibres.
Il est souhaitable de disposer d’un procédé de fabrication d’une pièce en CMC creuse qui permette d’éliminer le noyau sans résulter en une perturbation chimique de la pièce, et sans rallonger ou complexifier la gamme de fabrication.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce creuse en matériau composite à matrice au moins partiellement en carbure de silicium, comprenant au moins :
- la formation d’une interphase par infiltration chimique en phase vapeur sur les fils d’une préforme fibreuse définissant une cavité interne dans laquelle est présent un noyau qui comprend (i) de la silice en une teneur massique comprise entre 50% et 96%, (ii) du zircon en une teneur massique comprise entre 1% et 30%, et (iii) de l’alumine en une teneur massique comprise entre 1% et 5%, l’interphase étant formée sous une atmosphère neutre,
- la densification de la préforme, après formation de l’interphase, par infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium réalisée sous atmosphère réductrice, le noyau subissant une réduction chimique produisant une réduction de ses dimensions durant cette densification, et
- l’extraction du noyau aux dimensions réduites de la cavité interne.
- la formation d’une interphase par infiltration chimique en phase vapeur sur les fils d’une préforme fibreuse définissant une cavité interne dans laquelle est présent un noyau qui comprend (i) de la silice en une teneur massique comprise entre 50% et 96%, (ii) du zircon en une teneur massique comprise entre 1% et 30%, et (iii) de l’alumine en une teneur massique comprise entre 1% et 5%, l’interphase étant formée sous une atmosphère neutre,
- la densification de la préforme, après formation de l’interphase, par infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium réalisée sous atmosphère réductrice, le noyau subissant une réduction chimique produisant une réduction de ses dimensions durant cette densification, et
- l’extraction du noyau aux dimensions réduites de la cavité interne.
Sauf mention contraire, la composition chimique du noyau est prise avant le début de la formation de l’interphase.
Pour des raisons de concision, l’expression « infiltration chimique en phase vapeur » sera désignée dans la suite par « CVI », et l’expression « carbure de silicium » sera désignée par « SiC ». L’étape de densification de la préforme par du SiC par CVI décrite plus haut sera désignée par l’expression « densification SiC-CVI ».
L’invention met en œuvre un noyau de composition spécifique qui lui confère la capacité à se contracter sous l’effet des conditions imposées lors de la densification SiC-CVI. Plus particulièrement, l’atmosphère réductrice produit une réduction chimique des oxydes du noyau qui aboutit à une contraction du volume du noyau qui rend possible de le retirer mécaniquement de manière simple de la cavité interne du fait de l’apparition d’un jeu avec la préforme densifiée. Le noyau est, en outre, configuré pour que ses dimensions ne soient pas sensiblement affectées durant la formation de l’interphase du fait de l’emploi d’une atmosphère neutre durant celle-ci. La stabilité du noyau avant la densification SiC-CVI garantit que les dimensions restent conformes à celles imposées à la préforme par le conformateur. L’invention propose ainsi une solution pour fabriquer une pièce en matériau CMC creuse pour laquelle le retrait du noyau est simplifié et ne s’accompagne pas d’une perturbation chimique de la pièce obtenue, en s’affranchissant en particulier du traitement d’oxydation ou par un bain chimique de l’art antérieur.
Dans un exemple de réalisation, le noyau comprend en outre (iv) un ou plusieurs additifs choisis parmi : les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, la cristobalite, ou leurs mélanges, en une teneur massique comprise entre 0,1% et 5%.
La présence de l’additif permet de favoriser la transformation de la silice amorphe en cristobalite à chaud afin d’améliorer davantage encore les propriétés de fluage. Cela est notamment utile dans le cas où une relativement haute température est imposée pour former l’interphase afin d’éviter tout risque que le dimensionnel du noyau ne soit affecté sous l’effet des contraintes appliquées à chaud dans le conformateur et ainsi éviter tout risque de déviation dimensionnelle de la pièce à obtenir.
Dans un exemple de réalisation, l’interphase est formée sous une première température, et la densification est réalisée à une deuxième température supérieure à la première température, le noyau subissant en outre un frittage produisant une réduction de ses dimensions durant cette densification.
Selon cet exemple, le frittage du noyau durant la densification sous la haute température imposée participe à réduire davantage encore les dimensions du noyau, facilitant ainsi l’extraction. La température réduite imposée durant la formation de l’interphase permet d’assurer que les dimensions du noyau ne soient pas affectées durant cette étape.
Dans un exemple de réalisation, le noyau définit une surface ayant un motif alvéolaire.
Il peut être avantageux d’employer un tel noyau qui a une surface spécifique relativement élevée, par exemple avec une forme de nid d’abeille, afin de favoriser la réduction des oxydes et donc la contraction volumique du noyau, facilitant ainsi davantage encore son extraction.
Dans un exemple de réalisation, l’interphase est en nitrure de bore.
Dans un exemple de réalisation, l’atmosphère réductrice imposée lors de la densification comprend du dihydrogène.
Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre, après la densification et l’extraction du noyau, une densification additionnelle comprenant l’introduction d’une composition pulvérulente dans une porosité résiduelle de la préforme fibreuse densifiée, et l’infiltration de la porosité résiduelle par une composition à l’état fondu pour former une phase de matrice additionnelle.
La mise en œuvre de l’invention est particulièrement d’intérêt pour le cas où une phase de matrice additionnelle est formée ensuite par une technique d’infiltration à l’état fondu (« Melt-Infiltration » ; « MI ») par rapport à la solution de l’art antérieur où le noyau est éliminé chimiquement. En effet les inventeurs ont constaté que le traitement par le bain chimique peut rendre la surface du carbure de silicium de la matrice rugueuse, ce qui altère par la suite la qualité de l’infiltration. L’invention permet de surmonter ce désavantage en n’affectant pas la surface de la phase de matrice de SiC formée durant la densification.
Dans un exemple de réalisation, la pièce fabriquée est une pièce de turbomachine.
En particulier, la pièce de turbomachine peut être un distributeur de turbomachine ou une partie d’un distributeur de turbomachine, ou une aube de turbomachine.
La montre un exemple de succession d’étapes pouvant être mises en œuvre dans le cadre de l’invention.
On réalise tout d’abord une ébauche fibreuse de la pièce à obtenir (étape E10). L’ébauche peut être obtenue, de manière connue en soi, par tissage tridimensionnel de fils à l’aide d’un métier à tisser de type Jacquard, en ménageant une zone de déliaison afin de définir la cavité interne permettant l’insertion du noyau. On peut par exemple utiliser une armure de tissage interlock. Les fils peuvent être en céramique, par exemple en carbure de silicium, ou en carbone.
L’ébauche fibreuse est ensuite mise en forme par introduction du noyau dans la cavité interne et mise en place et moulage dans un conformateur de sorte à obtenir la préforme fibreuse, à la forme de la pièce à réaliser (étape E20). La préforme fibreuse est destinée à former le renfort fibreux de la pièce à obtenir. Le noyau mis en œuvre dans le cadre de l’invention a une composition particulière, comprenant au moins trois oxydes, à savoir (i) de la silice (SiO2), (ii) du zircon (ZrSiO4), et (iii) de l’alumine (Al2O3) dans des proportions respectives spécifiques, indiquées plus haut. Des additifs peuvent également être présents comme des alcalins, alcalino-terreux ou de la cristobalite (silice cristalline). Dans ce dernier cas, la cristobalite ajoutée est distincte de la silice présente à raison de 50% à 96% massiques laquelle est sous une forme autre que la cristobalite, par exemple sous la forme de silice amorphe. D’une manière générale, la silice (composé (i) du noyau) présente à raison de 50% à 96% massiques peut être sous forme amorphe.
Le tableau 1 ci-dessous donne des exemples de compositions de noyau pouvant être mises en œuvre dans le cadre de l’invention (les pourcentages sont en proportions massiques).
Le noyau peut avoir une composition sensiblement homogène dans tout son volume, en étant en particulier sous la forme d’un bloc formé d’un même matériau et en particulier pas sous la forme d’un substrat revêtu par un revêtement de composition distincte du substrat. Le noyau peut être sous la forme d’un bloc de poudre au moins partiellement frittée lors de son introduction dans la cavité interne de l’ébauche fibreuse. Le noyau peut être obtenu par différentes techniques, comme le moulage par injection de poudre ou la fabrication additive.
Le procédé se poursuit par introduction du conformateur comprenant la préforme fibreuse et le noyau dans sa cavité interne dans un four de densification CVI afin de former l’interphase, par exemple en nitrure de bore (étape E30). 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. Les conditions mises en œuvre durant cette étape sont connues en soi. On peut ainsi former une interphase de nitrure de bore à partir d’un mélange de trichlorure de bore (BCl3) et d’ammoniac (NH3) dans une atmosphère neutre, comprenant par exemple du diazote ou de l’argon. La température durant la formation de l’interphase peut être limitée, typiquement inférieure ou égale à 800°C, par exemple comprise entre 650°C et 800°C. Les dimensions du noyau ne sont pas modifiées durant la formation de l’interphase, ce qui permet de maintenir le dimensionnel imposé par le conformateur dans la préforme lors de la formation de l’interphase. La température de frittage du noyau 10 est supérieure à la température imposée durant l’étape E30. L’interphase lie de façon suffisante les fils de la préforme pour que celle-ci conserve sa forme et ses dimensions dans le conformateur durant la densification SiC-CVI indépendamment de la réduction des dimensions du noyau produite durant cette densification. Ainsi, l’épaisseur de l’interphase peut être supérieure ou égale à 80 nm, de préférence supérieure ou égale à 100 nm.
Si cela est souhaité, il est possible de procéder après l’étape E30 et avant la densification SiC-CVI (étape E40) à un traitement thermique de stabilisation de l’interphase BN à une température supérieure à 1300°C, par exemple comprise entre 1300°C et 1450°C, sous atmosphère neutre. La durée de ce traitement peut être comprise entre 0,25 heure et 4 heures, de préférence encore entre 0,5 heure et 2 heures. Un tel traitement est décrit dans la demande WO 2014049221A1. L'objet de ce traitement est de stabiliser chimiquement le BN en provoquant le dégazage d'espèces volatiles issues de la phase gazeuse réactionnelle et présentes dans le dépôt BN, et en éliminant la présence de sites actifs sur lesquels de l'oxygène pourrait se greffer si l'interphase venait à être exposée à un environnement oxydant lors de l'utilisation de la pièce en CMC. On ne sort pas du cadre de l’invention si ce traitement de stabilisation est omis.
Le procédé se poursuit par la densification SiC-CVI (étape E40). A ce titre, la montre schématiquement l’ensemble 9, comprenant la préforme fibreuse 3 après formation de l’interphase ainsi que le noyau 10 présent à l’intérieur de la cavité interne 5 de celle-ci, prêt à être densifié par une phase de matrice de SiC par CVI. Cet ensemble 9 est toujours présent dans le conformateur (non illustré) ainsi que dans le four CVI. L’homme du métier reconnaîtra que la forme du noyau 10 détermine la forme de la partie creuse de la pièce à obtenir. Le noyau 10 peut remplir intégralement la cavité interne 5. Une fois inséré le noyau 10 peut aller d’un bout 3a à l’autre 3b de la préforme, c’est-à-dire la traverser entièrement. Une surface S du noyau 10 peut être en contact avec les fils de la préforme fibreuse 3. Cette surface S peut avoir une surface spécifique relativement élevée comme indiqué plus haut, en présentant par exemple un motif alvéolaire tel qu’un nid d’abeille.
La densification SiC-CVI met en œuvre des conditions opératoires qui sont connues en soi. Elle utilise une phase gazeuse comprenant un précurseur de SiC, comme le méthyltrichlorosilane (MTS), ainsi qu’un gaz réducteur, comme le dihydrogène (H2). Une température supérieure ou égale à 1000°C, par exemple comprise entre 1000°C et 1400°C, peut être imposée durant la densification SiC-CVI. Durant la densification SiC-CVI, le débit massique de précurseur de SiC introduit dans le four CVI rapporté au volume de la préforme peut être supérieur ou égal à 0,2 kg/h/L (kilogramme par heure de précurseur par litre de préforme), par exemple compris entre 0,2 kg/h/L et 5 kg/h/L. La quantité de gaz réducteur est déterminée en fonction de la quantité de précurseur, le ratio QR/QP pouvant être compris entre 1 et 30, où QR désigne la quantité de gaz réducteur et QP la quantité de précurseur. Durant l’étape E40, la préforme 3 peut être soumise à une température supérieure à celle imposée durant l’étape E30 de formation de l’interphase. La température de frittage du noyau 10 peut être inférieure à la température imposée durant l’étape E40.
La illustre la contraction volumique subie par le noyau 10 durant la densification SiC-CVI. La préforme est densifiée 15 par une phase de matrice SiC 17 et la contraction volumique du noyau 10 fait apparaître un jeu J entre le noyau 10 et la préforme densifiée 15 qui permet le retrait du noyau 10 à l’extérieur de la cavité interne 5 sans endommager le matériau CMC (flèche de retrait R – étape E50). Le noyau 10 peut être extrait après l’étape de densification SiC-CVI à l’aide d’un outil ou directement manuellement. L’extraction du noyau 10 de la cavité 5 permet de libérer la partie creuse 18 de la pièce 15. Le volume du noyau 10 peut diminuer durant la densification SiC-CVI d’au moins 0,5%, cette diminution étant par exemple comprise entre 0,5% et 5%.
Les figures 4 et 5 sont des photographies de résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de l’invention. La montre l’aspect d’un noyau 10 avant et après le cycle de CVI. On constate que le noyau qui avait initialement un aspect blanc est devenu noir, ce qui est caractéristique d’une réduction des oxydes et d’une sous-stoechiométrie, et une contraction volumique a été notée. La montre quant à elle l’aspect d’un dépôt interphase BN / phase de matrice SiC obtenu dans le cadre de l’invention. On constate que l’emploi du noyau 10 se contractant durant la densification SiC-CVI n’a pas affecté la qualité des dépôts réalisés.
L’étape E40 peut aboutir à l’obtention d’une préforme consolidée, c’est-à-dire une préforme partiellement densifiée dont les fibres sont suffisamment liées entre elles pour que la préforme puisse conserver sa forme sans l'assistance du conformateur. La préforme consolidée est alors retirée du conformateur et la densification poursuivie par une densification additionnelle (étape E60). La phase de matrice additionnelle peut être formée par infiltration à l’état fondu, de manière connue en soi. Cette formation comprend introduction d’une composition pulvérulente dans la porosité résiduelle de la préforme fibreuse consolidée obtenue après la densification SiC-CVI suivie d’une infiltration par une composition à l’état fondu. La composition pulvérulente peut comporter des particules de carbure de silicium et/ou de carbone. La composition à l’état fondu peut être une composition de silicium ou d’un alliage de silicium à l’état fondu. La phase de matrice additionnelle peut être formée autrement, par exemple par technique d’imprégnation de pyrolyse de polymère (« Polymer Impregnation and Pyrolysis » ; « PIP »). On peut également prolonger l’étape E40 afin de former la matrice céramique intégralement en SiC par CVI, selon une autre variante.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, la pièce obtenue 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 (voir montrant une partie du distributeur 30 obtenue dans le cadre de l’invention ainsi que le noyau 10 correspondant). 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 (10)
- Procédé de fabrication d’une pièce creuse (15) en matériau composite à matrice au moins partiellement en carbure de silicium, comprenant au moins :
- la formation d’une interphase (E30) par infiltration chimique en phase vapeur sur les fils d’une préforme fibreuse définissant une cavité interne (5) dans laquelle est présent un noyau (10) qui comprend (i) de la silice en une teneur massique comprise entre 50% et 96%, (ii) du zircon en une teneur massique comprise entre 1% et 30%, et (iii) de l’alumine en une teneur massique comprise entre 1% et 5%, l’interphase étant formée sous une atmosphère neutre,
- la densification de la préforme (E40), après formation de l’interphase, par infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium réalisée sous atmosphère réductrice, le noyau subissant une réduction chimique produisant une réduction de ses dimensions durant cette densification, et
- l’extraction du noyau (E50) aux dimensions réduites de la cavité interne. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel le noyau (10) comprend en outre (iv) un ou plusieurs additifs choisis parmi : les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, la cristobalite, ou leurs mélanges, en une teneur massique comprise entre 0,1% et 5%.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’interphase est formée sous une première température, et la densification est réalisée à une deuxième température supérieure à la première température, le noyau subissant en outre un frittage produisant une réduction de ses dimensions durant cette densification.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le noyau définit une surface ayant un motif alvéolaire.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’interphase est en nitrure de bore.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’atmosphère réductrice imposée lors de la densification (E40) comprend du dihydrogène.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le procédé comprend en outre, après la densification (E40) et l’extraction (E50) du noyau, une densification additionnelle (E60) comprenant l’introduction d’une composition pulvérulente dans une porosité résiduelle de la préforme fibreuse densifiée, et l’infiltration de la porosité résiduelle par une composition à l’état fondu pour former une phase de matrice additionnelle.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce fabriquée est une pièce de turbomachine (30).
- Procédé selon la revendication 8, dans laquelle la pièce de turbomachine est un distributeur de turbomachine ou une partie d’un distributeur (30) de turbomachine.
- Procédé selon la revendication 8, dans laquelle la pièce de turbomachine est une aube de turbomachine.
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| Title |
|---|
| KAZEMI A. ET AL: "Investigation on cristobalite crystallization in silica-based ceramic cores for investment casting", JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY, vol. 33, no. 15-16, 1 December 2013 (2013-12-01), AMSTERDAM, NL, pages 3397 - 3402, XP055868149, ISSN: 0955-2219, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.06.025 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3121678B1 (fr) | 2023-04-14 |
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