WO2014170586A1 - Outillage de maintien, chargement et installation pour la densification de préformes poreuses de révolution - Google Patents

Outillage de maintien, chargement et installation pour la densification de préformes poreuses de révolution Download PDF

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WO2014170586A1
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porous
ring
porous preform
densification
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PCT/FR2014/050871
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Laurent LONGUEVILLE
Pascal Ducharlet
Stéphane Goujard
Gautier MECUSON
Eric Philippe
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Herakles
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C16/045—Coating cavities or hollow spaces, e.g. interior of tubes; Infiltration of porous substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber

Definitions

  • the present invention relates to the production of parts of revolution in thermostructural composite material and, more particularly, the maintenance of preforms intended to form such parts during high temperature treatments implemented in particular during stages of pyrolysis or chemical infiltration in phase steam.
  • thermostructural composite material parts consisting of a refractory fibrous preform (carbon or ceramic fibers, for example) densified by a refractory matrix (carbon and / or ceramic, for example), it It is common to use chemical vapor infiltration processes. Examples of such parts of revolution include those intended to form all or part of aircraft engine outboard parts such as exhaust cones (also called “plugs" or “Exhaust”).
  • thermostructural composite material The manufacture of a revolution piece made of thermostructural composite material comprises:
  • the preform Before pyrolysis and gas densification, the preform is demolded. However, the Holder noted that the preforms could become deformed during the subsequent implementation of high temperature treatments. Although the preforms are self-supporting after the polymerization of the liquid precursor of consolidation material, their behavior weakens during pyrolysis due to the volume shrinkage of the consolidation material. It is then difficult to prevent the preform from being deformed under its own weight and / or under the effect of its internal stresses, the preform thus modifying its initial geometry. It is the same during the gaseous densification step with the additional problem that the preform is then fixed in a shape that does not correspond to the target geometry.
  • the object of the invention is therefore to provide a holding solution for porous preforms of revolution which makes it possible to prevent deformation of the preforms during high temperature treatments, without hindering the densification of the preform by gaseous means. .
  • a tool for maintaining a porous preform of revolution characterized in that it comprises a lower ring and an upper ring held coaxially above the lower ring by at least one spacer element, each ring having on its outer surface a bearing intended to be in contact with a part of a porous preform, and in that at least one of the two rings comprises a cylindrical bearing surface, the outer surface of each ring being coated with a compressible material capable of creating a sliding contact with the porous preform.
  • the holding tool according to the invention comprises at least one cylindrical seat that allows the preform to slide without deformation on the layer of compressible material during axial expansion of the tool.
  • the presence of at least one cylindrical bearing surface in the tooling of the invention makes it possible to avoid a hyperstatic maintenance of the preform and to relax the stresses during temperature rises while preserving the circularity of the preform and the coaxiality of the two. kept.
  • the lower crown has a cylindrical bearing while the upper ring has a conical bearing.
  • the lower ring and the upper ring each comprise a cylindrical surface, at least one of the two rings comprising clamping means for holding the porous preform on the tooling.
  • the rings and the spacer element (s) are made of a material chosen from at least one of the following materials: graphite, carbon / carbon (C / C) composite material and ceramic matrix composite material (CMC).
  • the range of each ring is coated with a material chosen from at least one of the following materials: expanded graphite, felt, three-dimensional fabric strip, multicoche fabric strip and braid.
  • the felt, the band woven 3D and the braid being made from carbon fibers or silicon carbide.
  • the invention also relates to a loading in a densification plant by chemical vapor infiltration, said loading comprising a porous preform of revolution disposed on a holding tool according to the invention, the lower end of the preform being in contact with the scope of the lower crown, the upper end of the preform being in contact with the scope of the upper ring, no other part of the preform being in contact with the tool.
  • such a loading carried out with the tooling of the invention not only makes it possible to prevent deformations of the porous preform during axial and radial expansions of the tooling but also to make the majority of the preform accessible. for its infiltration by a gaseous phase.
  • the porous preform is an aeronautical engine afterbody body preform.
  • the invention also relates to a densification installation by chemical vapor infiltration of porous revolution preforms, comprising a reaction chamber, a reactive gas inlet pipe located at a first end of the chamber, and an evacuation pipe. located in the vicinity of a second end of the chamber, characterized in that the chamber comprises at least one load according to the invention.
  • the subject of the invention is also a process for manufacturing a composite material part comprising shaping and polymerizing a mold with a fibrous texture impregnated with a liquid precursor of a consolidation material so as to obtain a porous preform of revolution, characterized in that it further comprises:
  • FIG. 1 is an exploded schematic view showing the mounting and loading of a holding tool with a porous preform of revolution in accordance with one embodiment of the invention
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the load of Figure 1 once made;
  • FIG. 3B is a sectional view according to the reference IIIA of the load of Figure 2 during a high temperature heat treatment
  • FIG. 5 is an exploded schematic view showing the mounting and loading of a holding tool with a porous preform of revolution in accordance with another embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of the load of Figure 5 once made
  • FIG. 7A is a sectional view along the reference VIIA of the load of Figure 6;
  • the present invention applies to the manufacture of revolution parts made of thermostructural composite material. More particularly, the invention finds an advantageous application during the steps of pyrolysis and densification by chemical vapor infiltration of liquid-consolidated porous revolution of preforms.
  • FIG 1 shows the production of a load 200 comprising the introduction of a porous preform 10 of revolution on a holding tool 100 according to one embodiment of the invention.
  • the load 200 is intended to be introduced into a reaction chamber of an industrial chemical vapor infiltration plant.
  • the tooling 100 is intended to receive porous rotational preforms intended to constitute all or part of aircraft engine afterbody parts such as exhaust cones (also called “plugs” or “plugs”). "Exhaust").
  • the porous preform 10 corresponds to a fibrous texture which has been shaped and consolidated by liquid means.
  • the starting fiber texture may be of various kinds of fibers, in particular ceramic fibers (for example silicon carbide) or carbon fibers.
  • the fibrous texture used may be of various natures and forms such as, in particular:
  • 3D three-dimensional fabric obtained by 3D weaving or multilayers such as in particular described in the document WO 2010/061140 and the contents of which are incorporated herein by reference,
  • the shaping is performed by draping, filament winding, UD web winding on a mandrel, weaving, stacking, needling of two-dimensional / three-dimensional strata or plies of cables, etc.
  • the preform Before densification by gaseous (chemical vapor infiltration), the preform is consolidated by liquid means in order to give a certain mechanical strength allowing it to keep its shape during handling.
  • Liquid consolidation is, as is well known per se, carried out by impregnating the fibrous texture with an organic precursor of the desired material for the first matrix phase ensuring the consolidation.
  • organic precursor of the desired material for the first matrix phase may be ceramic precursors such as polysilanes or polysilazanes precursors of silicon carbide, polycarbosilanes or other precursors as obtained by sol / gel, dissolved salts, etc. or precursors of carbon (phenolic resin, furanic resin, pitch, etc.).
  • the shaping of the fibrous texture is generally carried out by molding before or after the impregnation of the fibrous texture with the consolidation composition.
  • the porous preform 10 is obtained by draping on a mold of SiC fiber layers pre-impregnated with a liquid precursor of silicon carbide.
  • the fibrous texture, impregnated and held in shape on the mold, is polymerized, generally at a temperature below 300 ° C and then demolded to obtain the porous preform 10 illustrated in Figure 1.
  • the porous preform 10 is placed on the holding tool 100 with a view to pyrolysis of the liquid ceramic precursor and densification by chemical vapor infiltration of the preform.
  • the charge 200 thus constituted as represented in FIG. 2 is placed in a chemical vapor infiltration installation or oven 500 illustrated in FIG. 4.
  • the chemical vapor infiltration installation 500 comprises a cylindrical enclosure 501 delimiting a reaction chamber 510 closed in its upper part by a removable cover 520 provided with a gas inlet pipe 521 which opens into a preheating zone 522 for heating the gas before its diffusion in the chamber reaction 510 containing the preform (s) to be densified.
  • the residual gases are extracted at the bottom 530 of the installation by a discharge pipe 531 which is connected to suction means (no shown).
  • the bottom 530 comprises a support 532 on which the load 200 is intended to be deposited.
  • Heating in the preheating zone as well as within the reaction chamber 510 is produced by a graphite susceptor 511 forming an armature electromagnetically coupled with an inductor (not shown).
  • the space present in the reaction chamber 510 between the preheating zone 522 and the support 532 corresponds to the useful loading volume 512 of the infiltration installation 500, that is to say the volume available for loading preforms. fibrous to be densified.
  • the pyrolysis of the ceramic liquid precursor is carried out in the installation 500 by subjecting the porous preform 10 to a heat treatment generally carried out between 900 ° C. and 1200 ° C.
  • the pyrolysis of the preform can also be carried out in a furnace or oven different from the chemical vapor infiltration installation 500.
  • the preform 10 is densified by chemical vapor infiltration.
  • a reactive gas containing at least one or more precursors of the material of the matrix to be deposited is introduced into the reaction chamber 510.
  • a reactive gas containing at least one or more precursors of the material of the matrix to be deposited is introduced into the reaction chamber 510.
  • a ceramic material as here carbide Silicon (SiC) can be used, as is well known per se, methyltrichlorosilane (MTS) as a precursor of SiC.
  • MTS methyltrichlorosilane
  • gaseous hydrocarbon compounds typically propane, methane or a mixture of both, are used.
  • the densification of the porous preform is ensured, in a manner well known per se, by deposition within it of the material of the matrix produced by decomposition of the precursor (s) contained in the reactive gas diffusing inside the internal porosity. accessible from the preform.
  • the pressure and temperature conditions necessary to obtain various matrix deposits by chemical vapor infiltration are well known per se.
  • a pressure gradient is established between supply line 521 and evacuation line 531 to promote the passage of reactant gas streams into the preform.
  • the preform is subjected to temperatures of between 900 ° C. and 1100 ° C. As illustrated in Figures 2 and 3A, only the lower and upper ends 11 and 12 of the porous preform 10 are in contact with the tool 100.
  • the upper end 12 of the preform 10 extends substantially parallel to the tapered surface 121 of the upper ring 120.
  • the upper end 12 rests, therefore, on the surface 121 via the layer of compressible material 122.
  • the lower end 11 of the preform 10 extends in a direction forming an angle with the cylindrical bearing 111 of the lower crown 110. Therefore, only the distal portion 11a of the lower end 11 is in contact with the bearing surface 111 via the layer of compressible material 112 forming therewith a contact line 111a.
  • the majority of the preform has no contact with the tool and can be optimally densified by gaseous means since it is not masked by it.
  • the ends of the preform correspond to excess lengths of the part, that is to say to portions that will be eliminated during finishing, it is the whole of the useful part of the preform that is fully accessible by the gaseous phase of densification.
  • Figure 3B shows the behavior of the load 200 when it is subjected to a rise in temperature during the pyrolysis step of the ceramic liquid precursor or during the densification by chemical vapor infiltration of the preform.
  • the holding tool 100 expands both axially (arrow DA in FIG. 3B) and radially (arrows DR in FIG. 3B).
  • the porous preform 10 has a coefficient of thermal expansion less than that of the tool and expands, therefore, less than it during temperature rises. However, thanks to the tooling of the invention, the porous preform 10 is not deformed during the expansions of the tooling.
  • the axial expansions of the tooling 100 acting mainly on the preform 10 at its upper end 12 resting mainly on the upper ring 120 are accommodated by the cylindrical surface 111 of the lower ring 110 which allows the end lower 11 of the preform to slide on the layer of compressible material 112.
  • the preform 10 can follow without deformation axial expansion of the tool.
  • the radial expansions of the tooling 100 are compensated by the layers of compressible material 112 and 122 which will absorb the differential expansions between the lower and upper ends 11 and 12 of the preform 10 and the lower and upper rings 110 and 120 of the tooling.
  • the porous preform 10 remains axisymmetric since the coaxiality between the rings 110 and 120 is kept hot.
  • FIG. 5 shows the production of a load 400 comprising the setting up of a porous preform 20 of revolution, intended for example to constitute all or part of aft engine body parts, on a holding tool 300 according to another embodiment of the invention.
  • Tooling 300 comprises a lower ring gear 310 and an upper ring gear 320 held coaxially with each other and at a distance determined by an axis 330 resting on a base 340.
  • these four elements are made of graphite.
  • the outer surface of the lower crowns 310 and upper 320 each comprise a bearing 311, 321 of cylindrical shape.
  • “scope” is understood to mean the outer peripheral edge of the rings 310 and 320 as illustrated in FIG. 5.
  • the bearing surfaces 311 and 321 are respectively coated with layers 312 and 322 each made of a compressible material capable of creating a contact sliding with the porous preform such as expanded graphite.
  • the compression capacity of the material is chosen as a function of the expansion differential between the tooling and the preform.
  • the material used may have, for example, a compressive capacity of approximately 40% of its initial thickness, as is the case with expanded graphite, for example.
  • the layer of compressible material may also be formed by a fibrous texture in the form of a felt, a three-dimensional woven or multilayer woven strip, or a braid made from carbon or carbide fibers. of silicon.
  • the porous preform 20 is obtained by draping on a mold of SiC fiber layers pre-impregnated with a liquid precursor of silicon carbide. The fibrous texture, impregnated and held in shape on a mold, is polymerized then demolded to obtain the porous preform 20 illustrated in FIG.
  • the porous preform 20 is then placed on the holding tool 300 for pyrolysis and densification by chemical vapor infiltration. As illustrated in Figures 6 and 7A, only the lower and upper ends 21 and 22 of the porous preform 20 are in contact with the tool 300.
  • the upper end 22 of the preform 10 extends substantially parallel to the cylindrical scope 321 of the upper ring 320.
  • the upper end 21 of the preform 20 extends substantially parallel to the cylindrical surface 311 of the lower ring 310.
  • a clamping of the upper end 22 of the preform on the upper ring 320 is formed by means of pins 324 inserted into orifices 23 and 323 respectively formed in the preform 20 and the ring 320. Other forms of clamping means can of course to be considered.
  • the lower end 21 of the preform 20 slides on the layer of compressible material 312, the preform 20 being secured to the tool at its upper end 22 clamped on the crown 320.
  • the preform 20 can follow without deformation axial expansion of the tool.
  • the radial expansions of tooling 300 are compensated by the layers of compressible material 312 and 322 that will absorb the differential expansions between the lower and upper ends 21 and 22 of the preform 20 and the lower and upper rings 310 and 320 of the tooling.
  • the porous preform 20 remains axisymmetric since the coaxiality between the rings 310 and 320 is kept hot.
  • the lower and upper crowns of the tooling of the invention may also be held in coaxiality and at a determined distance from one another by one or more spacer elements extending at a distance from each other. outside of the porous preform (exostructure), these elements, just like the axes 130 and 330 described above are not in contact with the porous preform.

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Abstract

Un outillage de maintien (100) d'une préforme poreuse de révolution comprend une couronne inférieure (110) et une couronne supérieure (120) maintenue de manière coaxiale au-dessus de la couronne inférieure par au moins un élément d'écartement (130). Chaque couronne (110; 120) comporte sur sa surface externe une portée (111; 121) destinée à être en contact avec une partie d'une préforme poreuse (10). Au moins une (110) des deux couronnes (110, 120) comporte une portée de forme cylindrique, la surface externe de chaque couronne (110; 120) étant en outre revêtue d'un matériau compressible (112, 122) apte à créer un contact glissant avec la partie de la préforme poreuse en contact.

Description

Outillage de maintien, chargement et installation pour la densification de préformes poreuses de révolution
Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne la réalisation de pièces de révolution en matériau composite thermostructural et, plus particulièrement, le maintien des préformes destinées à former de telles pièces lors de traitements haute température mis en œuvre notamment durant des étapes de pyrolyse ou d'infiltration chimique en phase vapeur.
Pour la fabrication de pièces en matériau composite, en particulier de pièces en matériau composite thermostructural constituées d'une préforme fibreuse réfractaire (fibres carbone ou céramique, par exemple) densifiée par une matrice réfractaire (carbone et/ou céramique, par exemple), il est courant de faire appel à des procédés d'infiltration chimique en phase vapeur. Des exemples de telles pièces de révolution sont notamment celles destinées à constituer tout ou partie de pièces d'arrière-corps de moteur aéronautique tels que des cônes d'échappement (encore appelés « plugs » ou « Exhaust »).
La fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite thermostructural comprend :
- la mise en forme d'une texture fibreuse sur un moule,
- l'imprégnation de la texture, avant ou après sa mise en forme, avec un précurseur liquide d'un matériau de consolidation,
- la polymérisation du précurseur liquide,
- la pyrolyse de la préforme pour terminer la transformation du matériau de consolidation, et
- la densification de la préforme poreuse par infiltration chimique en phase gazeuse.
Avant sa pyrolyse et sa densification par voie gazeuse, la préforme est démoulée. Toutefois, la Titulaire a constaté que les préformes pouvaient se déformer durant la mise en œuvre ultérieure de traitements à haute température. Bien que les préformes soient autoporteuses après la polymérisation du précurseur liquide de matériau de consolidation, leur tenue s'affaiblit lors de la pyrolyse en raison du retrait volumique du matériau de consolidation. Il est alors difficile d'éviter que la préforme se déforme sous son propre poids et/ou sous l'effet de ses contraintes internes, la préforme modifiant ainsi sa géométrie initiale. Il en est de même lors de l'étape de densification par voie gazeuse avec le problème supplémentaire que la préforme est alors figée dans une forme qui ne correspond pas à la géométrie visée.
Pour pallier ce problème, il a été envisagé d'utiliser des conformateurs en graphite permettant de maintenir la préforme en tout point lors des opérations de pyrolyse et de densification. Cependant, de tels conformateurs présentent au moins les inconvénients suivants :
- ils sont très volumineux et occupent une grande partie du volume utile de la chambre de réaction, ce qui limite le nombre de préformes pouvant être traitées simultanément dans une même installation,
- ils sont très lourds et, par conséquent, délicats à manipuler,
- ils sont coûteux à réaliser en raison de la quantité de matière importante nécessaire à leur fabrication et des usinages de grande précision qui doivent être réalisés sur de grandes surfaces,
- ils masquent une grande partie de la préforme qui est, par conséquent, difficilement accessible par la phase gazeuse, ce qui nuit à l'efficacité et à l'homogénéité de la densification.
Objet et résumé de l'invention
L'invention a, par conséquent, pour but de fournir une solution de maintien pour des préformes poreuses de révolution qui permet d'éviter la déformation des préformes lors de traitements à haute température, et ce sans gêner la densification de la préforme par voie gazeuse.
Ce but est atteint avec un outillage de maintien d'une préforme poreuse de révolution caractérisé en ce qu'il comprend une couronne inférieure et une couronne supérieure maintenue de manière coaxiale au- dessus de la couronne inférieure par au moins un élément d'écartement, chaque couronne comportant sur sa surface externe une portée destinée à être en contact avec une partie d'une préforme poreuse, et en ce qu'au moins une des deux couronnes comporte une portée de forme cylindrique, la surface externe de chaque couronne étant revêtue d'un matériau compressible apte à créer un contact glissant avec la préforme poreuse.
Ainsi, l'outillage de maintien selon l'invention comporte au moins une portée cylindrique qui permet à la préforme de glisser sans déformation sur la couche de matériau compressible lors des dilatations axiales de l'outillage. La présence d'au moins une portée cylindrique dans l'outillage de l'invention permet d'éviter un maintien hyperstatique de la préforme et de relâcher les contraintes lors des montées en température tout en préservant la circularité de la préforme et la coaxialité des deux portées maintenues.
La présence d'une couche d'un matériau compressible sur chacune des portées de l'outillage permet de compenser les dilatations radiales différentielles entre l'outillage. La géométrie initiale de la préforme est ainsi conservée même lors des traitements thermiques à haute température, la coaxialité de cette dernière étant préservée par l'outillage de maintien. En outre, en dehors des portées destinées à être en contact avec les extrémités inférieure et supérieure de la préforme poreuse, aucune autre partie de l'outillage est en contact avec la préforme qui reste, par conséquent, majoritairement accessible pour une phase gazeuse lors de sa densification.
Selon un premier aspect de l'outillage de l'invention, la couronne inférieure comporte une portée cylindrique tandis que la couronne supérieure comporte une portée conique.
Selon un deuxième aspect de l'outillage de l'invention, la couronne inférieure et la couronne supérieure comportent chacune une portée cylindrique, au moins une des deux couronnes comprenant des moyens de bridage pour maintenir la préforme poreuse sur l'outillage.
Selon un troisième aspect de l'invention, les couronnes et le ou les éléments d'écartement sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : graphite, matériau composite carbone/carbone (C/C) et matériau composite à matrice céramique (CMC).
Selon un quatrième aspect de l'invention, la portée de chaque couronne est revêtue d'un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : graphite expansé, feutre, bande de tissu tridimensionnel, bande de tissu multicoche et tresse. Le feutre, la bande tissée 3D et la tresse étant réalisés à partir de fibres de carbone ou de carbure de silicium.
L'invention a également pour objet un chargement dans une installation de densification par infiltration chimique en phase vapeur, ledit chargement comprenant une préforme poreuse de révolution disposée sur un outillage de maintien selon l'invention, l'extrémité inférieure de la préforme étant en contact avec la portée de la couronne inférieure, l'extrémité supérieure de la préforme étant en contact avec la portée de la couronne supérieure, aucune autre partie de la préforme étant en contact avec l'outillage.
Comme indiqué ci-avant, un tel chargement réalisé avec l'outillage de l'invention permet non seulement d'empêcher les déformations de la préforme poreuse lors des dilatations axiale et radiale de l'outillage mais également de rendre accessible la majorité de la préforme pour son infiltration par une phase gazeuse.
Selon un aspect du chargement de l'invention, la préforme poreuse est une préforme de pièce d'arrière-corps de moteur aéronautique.
L'invention concerne également une installation de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de préformes poreuses de révolution, comportant une chambre de réaction, une conduite d'admission de gaz réactif située à une première extrémité de la chambre, et une conduite d'évacuation située au voisinage d'une seconde extrémité de la chambre, caractérisée en ce que la chambre comprend au moins un chargement selon l'invention.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant la mise en forme et la polymérisation sur un moule d'une texture fibreuse imprégnée d'un précurseur liquide d'un matériau de consolidation de manière à obtenir une préforme poreuse de révolution, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- le démoulage de la préforme poreuse,
- le placement de la préforme poreuse sur un outillage de maintien selon l'invention,
- la pyrolyse de la préforme poreuse, la densification de la préforme poreuse par infiltration chimique en phase gazeuse d'un matériau de densification.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 est une vue schématique éclatée montrant le montage et le chargement d'un outillage de maintien avec une préforme poreuse de révolution conformément à un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective du chargement de la figure 1 une fois réalisé ;
- la figure 3A est une vue en coupe selon le repère IIIA du chargement de la figure 2 ;
- la figure 3B est une vue en coupe selon le repère IIIA du chargement de la figure 2 lors d'un traitement thermique à haute température ;
- la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une installation de densification par infiltration chimique en phase gazeuse comprenant le chargement de la figure 2 ;
- la figure 5 est une vue schématique éclatée montrant le montage et le chargement d'un outillage de maintien avec une préforme poreuse de révolution conformément à un autre mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est une vue schématique en perspective du chargement de la figure 5 une fois réalisé ;
- la figure 7A est une vue en coupe selon le repère VIIA du chargement de la figure 6 ;
- la figure 7B est une vue en coupe selon le repère VIIA du chargement de la figure 6 lors d'un traitement thermique à haute température. Description détaillée de mode de réalisation
La présente invention s'applique à la fabrication de pièces de révolution en matériau composite thermostructural. Plus particulièrement, l'invention trouve une application avantageuse lors des étapes de pyrolyse et de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de préformes poreuses de révolution consolidées par voie liquide.
La figure 1 montre la réalisation d'un chargement 200 comprenant la mise en place d'une préforme poreuse 10 de révolution sur un outillage de maintien 100 conformément à un mode de réalisation de l'invention. Une fois réalisé, le chargement 200 est destiné à être introduit dans une chambre de réaction d'une installation industrielle d'infiltration chimique en phase gazeuse. Dans l'exemple décrit ici, l'outillage 100 est destiné à recevoir des préformes poreuses de révolution destinées à constituer tout ou partie de pièces d'arrière-corps de moteur aéronautique tels que des cônes d'échappement (encore appelés « plugs » ou « Exhaust »).
L'outillage 100 comprend une couronne inférieure 110 et une couronne supérieure 120 maintenues en coaxialité l'une avec l'autre et à une distance déterminée par un axe 130 reposant sur un socle 140. Dans l'exemple décrit ici, ces quatre éléments sont réalisés en graphite. Ces éléments peuvent être réalisés en d'autres matériaux aptes à résister aux températures rencontrées lors des traitements thermiques tels que les matériaux composites carbone/carbone ou à matrice céramique (CMC) comme par exemple des matériaux C/SiC (renfort en fibres de carbone densifié par une matrice carbure de silicium) ou SiC/SiC (renfort et matrice en carbure de silicium).
Dans le mode de réalisation décrit ici, la surface externe de la couronne inférieure 110 comporte une portée 111 de forme cylindrique tandis que la surface externe de la couronne supérieure 120 comporte une portée 121 de forme conique. On entend ici par « portée » le bord périphérique externe des couronnes 110 et 120 tel qu'illustré sur la figure 1. Les portées 111 et 121 sont revêtues respectivement de couches 112 et 122 constituées chacune d'un matériau compressible apte à créer un contact glissant avec la préforme poreuse comme par exemple du graphite expansé. La capacité de compression du matériau est choisie en fonction du différentiel de dilatation entre l'outillage et la préforme. Le matériau utilisé peut présenter par exemple une capacité de compression d'environ 40% de son épaisseur initial comme c'est le cas pour le graphite expansé par exemple. La couche de matériau compressible peut être également formée par une texture fibreuse se présentant sous la forme notamment d'un feutre, d'une bande obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche, ou d'une tresse réalisés à partir de fibres de carbone ou de carbure de silicium.
La préforme poreuse 10 correspond à une texture fibreuse qui a été mise en forme et consolidée par voie liquide. La texture fibreuse de départ peut être en fibres de diverses natures, en particulier des fibres de céramique (par exemple carbure de silicium) ou de carbone. La texture fibreuses utilisée peut être de diverses natures et formes telles que notamment:
- tissu bidimensionnel (2D),
tissu tridimensionnel (3D) obtenu par tissage 3D ou multicouches tel que notamment décrit dans le document WO 2010/061140 et dont le contenu est incorporé ici par référence,
tresse,
- tricot,
feutre,
nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelle (nD) obtenue par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et liaison des nappes UD entre elles par exemple par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage.
On peut aussi utiliser une structure fibreuse formée de plusieurs couches superposées de tissu, tresse, tricot, feutre, nappes, câbles ou autres, lesquelles couches sont liées entre elles par exemple par couture, par implantation de fils ou d'éléments rigides ou par aiguilletage.
La mise en forme est réalisée par drapage, bobinage filamentaire, enroulage de nappe UD sur un mandrin, tissage, empilage, aiguilletage de strates bidimensionnelles/tridimensionnelles ou de nappes de câbles, etc.
Avant sa densification par voie gazeuse (infiltration chimique en phase gazeuse), la préforme est consolidée par voie liquide afin de lui conférer une certaine tenue mécanique lui permettant de conserver sa mise en forme lors des manipulations.
La consolidation par voie liquide est, de façon bien connue en soi, réalisée par imprégnation de la texture fibreuse par un précurseur organique du matériau désiré pour la première phase de matrice assurant la consolidation. Il peut s'agir de précurseurs de céramique tels que les polysilanes ou polysilazanes précurseurs de carbure de silicium, les polycarbosilanes ou autres précurseurs tels qu'obtenus par voie sol/gel, sels dissous, etc. ou de précurseurs de carbone (résine phénolique, résine furanique, du brai, etc.).
La mise en forme de la texture fibreuse est réalisée généralement par moulage avant ou après l'imprégnation de la texture fibreuse avec la composition de consolidation.
Dans l'exemple décrit ici, la préforme poreuse 10 est obtenue par drapage sur un moule de strates de fibres SiC pré-imprégnées d'un précurseur liquide de carbure de silicium.
La texture fibreuse, imprégnée et maintenue en forme sur le moule, est polymérisée, généralement à une température inférieure à 300 °C puis démoulée de manière à obtenir la préforme poreuse 10 illustrée sur la figure 1.
C'est à ce stade que la préforme poreuse 10 est placée sur l'outillage de maintien 100 en vue de la pyrolyse du précurseur liquide de céramique et de la densification par infiltration chimique en phase gazeuse de la préforme. Le chargement 200 ainsi constitué comme représenté sur la figure 2 est placé dans une installation ou four d'infiltration chimique en phase gazeuse 500 illustrée sur la figure 4. De façon connue en soi, l'installation d'infiltration chimique en phase gazeuse 500 comprend une enceinte cylindrique 501 délimitant une chambre de réaction 510 fermée dans sa partie supérieure par un couvercle démontable 520 muni d'une conduite d'admission de gaz 521 qui débouche dans une zone de préchauffage 522 permettant de réchauffer le gaz avant sa diffusion dans la chambre de réaction 510 contenant la ou les préformes à densifier. Les gaz résiduels sont extraits au niveau du fond 530 de l'installation par une conduite d'évacuation 531 qui est reliée à des moyens d'aspiration (non représentés). Le fond 530 comporte un support 532 sur lequel le chargement 200 est destiné à être déposé.
Le chauffage dans la zone préchauffage ainsi qu'à l'intérieur de la chambre de réaction 510 est produit par un suscepteur en graphite 511 formant un induit couplé électromagnétiquement avec un inducteur (non représenté). L'espace présent dans la chambre de réaction 510 entre la zone de préchauffage 522 et le support 532 correspond au volume de chargement utile 512 de l'installation d'infiltration 500, c'est-à-dire le volume disponible pour charger des préformes fibreuses à densifier.
Afin de minimiser les manipulations du chargement 200 et le temps de fabrication, la pyrolyse du précurseur liquide de céramique est réalisée dans l'installation 500 en soumettant la préforme poreuse 10 à un traitement thermique généralement réalisé entre 900°C et 1200°C. La pyrolyse de la préforme peut être également réalisée dans un four ou étuve différent de l'installation d'infiltration chimique en phase gazeuse 500.
Après la pyrolyse, la préforme 10 est densifiée par infiltration chimique en phase gazeuse. Afin d'assurer la densification de la préforme, un gaz réactif contenant au moins un ou plusieurs précurseurs du matériau de la matrice à déposer est introduit dans la chambre de réaction 510. Dans le cas d'un matériau céramique, comme ici du carbure de silicium (SiC), on peut utiliser, comme bien connu en soi, du méthyltrichlorosilane (MTS) en tant que précurseur de SiC. Dans le cas du carbone par exemple, on utilise des composés gazeux hydrocarbonés, typiquement du propane, du méthane ou un mélange des deux.
La densification de la préforme poreuse est assurée, de façon bien connue en soi, par dépôt au sein de celle-ci du matériau de la matrice produit par décomposition du ou des précurseurs contenus dans le gaz réactif diffusant à l'intérieur de la porosité interne accessible de la préforme. Les conditions de pression et de température nécessaires pour obtenir des dépôts de matrices diverses par infiltration chimique en phase gazeuse sont bien connues en elles-mêmes. Un gradient de pression est établi entre la conduite d'alimentation 521 et la conduite d'évacuation 531 afin de favoriser le passage des flux de gaz réactif dans la préforme. Lors de l'étape de densification par infiltration chimique en phase gazeuse, la préforme est soumise à des températures comprises entre 900°C et 1100°C. Comme illustrée sur les figures 2 et 3A, seules les extrémités inférieures et supérieures 11 et 12 de la préforme poreuse 10 sont en contact avec l'outillage 100. Plus précisément, l'extrémité supérieure 12 de la préforme 10 s'étend sensiblement parallèlement à la portée conique 121 de la couronne supérieure 120. L'extrémité supérieure 12 repose, par conséquent, sur la portée 121 via la couche de matériau compressible 122. L'extrémité inférieure 11 de la préforme 10 s'étend suivant une direction formant un angle avec la portée cylindrique 111 de la couronne inférieure 110. Par conséquent, seule la partie distale lia de l'extrémité inférieure 11 est en contact avec la portée 111 via la couche de matériau compressible 112 formant avec celle-ci une ligne de contact 111a. Ainsi, la majorité de la préforme n'a aucun contact avec l'outillage et peut être densifiée par voie gazeuse de manière optimale puisqu'elle n'est pas masquée par celui-ci. Lorsque les extrémités de la préforme correspondent à des surlongueurs de la pièce, c'est-à-dire à des portions qui seront éliminées lors des finitions, c'est l'ensemble de la partie utile de la préforme qui est totalement accessible par la phase gazeuse de densification.
La figure 3B montre le comportement du chargement 200 lorsque celui-ci est soumis à une montée en température lors de l'étape de pyrolyse du précurseur liquide de céramique ou lors de la densification par infiltration chimique en phase gazeuse de la préforme. Sous l'effet de la température, l'outillage de maintien 100 se dilate à la fois axialement (flèche DA sur la figure 3B) et radialement (flèches DR sur la figure 3B). La préforme poreuse 10 présente un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de l'outillage et se dilate, par conséquent, moins que celui-ci lors des montées en température. Toutefois, grâce à l'outillage de l'invention, la préforme poreuse 10 n'est pas déformée lors des dilatations de l'outillage. En effet, les dilatations axiales de l'outillage 100, agissant principalement sur la préforme 10 au niveau de son extrémité supérieure 12 reposant principalement sur la couronne supérieure 120 sont accommodées par la portée cylindrique 111 de la couronne inférieure 110 qui permet à l'extrémité inférieure 11 de la préforme de glisser sur la couche de matériau compressible 112. La préforme 10 peut ainsi suivre sans déformation la dilatation axiale de l'outillage. Les dilatations radiales de l'outillage 100 sont compensées par les couches de matériau compressibles 112 et 122 qui vont absorber les dilatations différentielles entre les extrémités inférieure et supérieure 11 et 12 de la préforme 10 et les couronnes inférieure et supérieure 110 et 120 de l'outillage. Lors des montées en température, la préforme poreuse 10 reste axisymétrique puisque la coaxialité entre les couronnes 110 et 120 est conservée à chaud.
La figure 5 montre la réalisation d'un chargement 400 comprenant la mise en place d'une préforme poreuse 20 de révolution, destinée par exemple à constituer tout ou partie de pièces d'arrière-corps de moteur aéronautique, sur un outillage de maintien 300 conformément à un autre mode de réalisation de l'invention. L'outillage 300 comprend une couronne inférieure 310 et une couronne supérieure 320 maintenues en coaxialité l'une avec l'autre et à une distance déterminée par un axe 330 reposant sur un socle 340. Dans l'exemple décrit ici, ces quatre éléments sont réalisés en graphite. Dans le mode de réalisation décrit ici, la surface externe des couronnes inférieure 310 et supérieure 320 comportent chacune une portée 311, 321 de forme cylindrique. On entend ici par « portée » le bord périphérique externe des couronnes 310 et 320 tel qu'illustré sur la figure 5. Les portées 311 et 321 sont revêtues respectivement de couches 312 et 322 constituées chacune d'un matériau compressible apte à créer un contact glissant avec la préforme poreuse comme par exemple du graphite expansé.
La capacité de compression du matériau est choisie en fonction du différentiel de dilatation entre l'outillage et la préforme. Le matériau utilisé peut présenter par exemple une capacité de compression d'environ 40% de son épaisseur initial comme c'est le cas pour le graphite expansé par exemple. La couche de matériau compressible peut être également formée par une texture fibreuse se présentant sous la forme notamment d'un feutre, d'une bande obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche, ou d'une tresse réalisés à partir de fibres de carbone ou de carbure de silicium. Dans l'exemple décrit ici, la préforme poreuse 20 est obtenue par drapage sur un moule de strates de fibres SiC pré-imprégnées d'un précurseur liquide de carbure de silicium. La texture fibreuse, imprégnée et maintenue en forme sur un moule, est polymérisée puis démoulée de manière à obtenir la préforme poreuse 20 illustrée sur la figure 5.
La préforme poreuse 20 est alors placée sur l'outillage de maintien 300 en vue de sa pyrolyse et de sa densification par infiltration chimique en phase gazeuse. Comme illustrée sur les figures 6 et 7A, seules les extrémités inférieure et supérieure 21 et 22 de la préforme poreuse 20 sont en contact avec l'outillage 300. L'extrémité supérieure 22 de la préforme 10 s'étend sensiblement parallèlement à la portée cylindrique 321 de la couronne supérieure 320. De même, l'extrémité supérieure 21 de la préforme 20 s'étend sensiblement parallèlement à la portée cylindrique 311 de la couronne inférieure 310. Afin de maintenir la préforme poreuse 20 sur l'outillage 300, un bridage de l'extrémité supérieure 22 de la préforme sur la couronne supérieure 320 est réalisée au moyen de pions 324 insérés dans des orifices 23 et 323 respectivement ménagés dans la préforme 20 et la couronne 320. D'autres formes de moyens de bridage peuvent bien entendu être envisagées.
La figure 7B montre le comportement du chargement 400 lorsque celui-ci est soumis à une montée en température lors de l'étape de pyrolyse du précurseur liquide de céramique ou lors de la densification par infiltration chimique en voie gazeuse de la préforme. Sous l'effet de la température, l'outillage de maintien 300 se dilate à la fois axialement (flèche DA sur la figure 7B) et radialement (flèches DR sur la figure 7B). La préforme poreuse 20 présente un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de l'outillage et se dilate, par conséquent, moins que celui-ci lors des montées en température. Toutefois, grâce à l'outillage de l'invention, la préforme poreuse 20 n'est pas déformée lors des dilatations de l'outillage. En effet, lors dilatations axiales de l'outillage 300, l'extrémité inférieure 21 de la préforme 20 glisse sur la couche de matériau compressible 312, la préforme 20 étant solidaire de l'outillage au niveau de son extrémité supérieure 22 bridée sur la couronne supérieure 320. La préforme 20 peut ainsi suivre sans déformation la dilatation axiale de l'outillage. Les dilatations radiales de l'outillage 300 sont compensées par les couches de matériau compressibles 312 et 322 qui vont absorber les dilatations différentielles entre les extrémités inférieure et supérieure 21 et 22 de la préforme 20 et les couronnes inférieure et supérieure 310 et 320 de l'outillage. Lors des montées en température, la préforme poreuse 20 reste axisymétrique puisque la coaxialité entre les couronnes 310 et 320 est conservée à chaud.
Selon une variante de réalisation, les couronnes inférieure et supérieure de l'outillage de l'invention peuvent être également maintenues en coaxialité et à une distance déterminée l'une de l'autre par un ou plusieurs éléments d'écartement s'étendant à l'extérieur de la préforme poreuse (exostructure), ces éléments, tout comme les axes 130 et 330 décrits ci-avantt ne sont pas en contact avec la préforme poreuse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Outillage de maintien (100) d'une préforme poreuse de révolution caractérisé en ce qu'il comprend une couronne inférieure (110) et une couronne supérieure (120) maintenue de manière coaxiale au- dessus de la couronne inférieure par au moins un élément d'écartement (130), chaque couronne (110 ; 120) comportant sur sa surface externe une portée (111 ; 121) destinée à être en contact avec une partie d'une préforme poreuse (10), et en ce qu'au moins une des deux couronnes comporte une portée de forme cylindrique, la surface externe de chaque couronne (110 ; 120) étant revêtue d'un matériau compressible (112, 122) apte à créer un contact glissant avec la partie de la préforme poreuse en contact.
2. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne inférieure (110) comporte une portée cylindrique (111) et en ce que la couronne supérieure (120) comporte une portée conique (121).
3. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne inférieure et la couronne supérieure (310, 320) comportent chacune une portée cylindrique (311 ; 321), au moins une des deux couronnes (310) comprenant des moyens de bridage (324) pour maintenir la préforme poreuse (10) sur l'outillage (300).
4. Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les couronnes (110, 120 ; 310, 320) et le ou les éléments d'écartement (130 ; 330) sont en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : graphite, matériau composite carbone/carbone (C/C) et matériau composite à matrice céramique (CMC).
5. Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la portée (111 ; 121 ; 311 ; 321) de chaque couronne (110 ; 120 ; 310 ; 320) est revêtue d'un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : graphite expansé, feutre, bande de tissu tridimensionnel, bande de tissu multicouche et tresse.
6. Chargement (200 ; 400) dans une installation de densification par infiltration chimique en phase vapeur (500), ledit chargement comprenant une préforme poreuse de révolution (10 ; 20) disposée sur un outillage de maintien (100 ; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, l'extrémité inférieure (11 ; 21) de la préforme (10 ; 20) étant en contact avec la portée (111 ; 311) de la couronne inférieure (110 ; 310), l'extrémité supérieure (12 ; 22) de la préforme (10 ; 20) étant en contact avec la portée (121 ; 321) de la couronne supérieure (120 ; 320), aucune autre partie de la préforme étant en contact avec l'outillage.
7. Chargement selon la revendication 6, caractérisé en ce que la préforme poreuse (10 ; 20) est une préforme de pièce d'arrière-corps de moteur aéronautique.
8. Installation de densification par infiltration chimique en phase gazeuse (500) de préformes poreuses de révolution, comportant une chambre de réaction (510), une conduite d'admission de gaz réactif (521) située à une première extrémité de la chambre et débouchant dans une zone de préchauffage (522), et une conduite d'évacuation (531) située au voisinage d'une seconde extrémité,
caractérisée en ce que la chambre comprend au moins un chargement (200 ; 400) selon la revendication 6 ou 7.
9. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant la mise en forme et la polymérisation sur un moule d'une texture fibreuse imprégnée d'un précurseur liquide d'un matériau de consolidation de manière à obtenir une préforme poreuse de révolution (10 ; 20), caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- le démoulage de la préforme poreuse (10 ; 20),
- le placement de la préforme poreuse (10 ; 20) sur un outillage de maintien (100 ; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
- la pyrolyse de la préforme poreuse,
- la densification de la préforme poreuse par infiltration chimique en phase gazeuse d'un matériau de densification.
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