FR3124965A1 - Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite par injection d’une barbotine chargée dans une texture fibreuse - Google Patents

Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite par injection d’une barbotine chargée dans une texture fibreuse Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite par injection d’une barbotine chargée dans une texture fibreuse L’invention décrit un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant le placement d’une texture fibreuse (10) dans un moule (110) comportant dans sa partie inférieure une strate de filtration (130) sur laquelle repose la texture fibreuse (10) et comportant une portion perforée (150) interposée entre la strate de filtration et le fond du moule, l’injection sous pression d’un liquide contenant une poudre de particules céramiques réfractaires dans la texture fibreuse, le drainage par la strate de filtration du liquide ayant traversé la texture fibreuse et la rétention de la poudre de particules céramiques réfractaires à l’intérieur de ladite texture fibreuse par ladite strate de filtration. Un élément de distribution (140) est interposé entre la strate de filtration (130) et la portion perforée (150). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite par injection d’une barbotine chargée dans une texture fibreuse
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite thermostructural notamment de type Oxyde/Oxyde ou à matrice céramique (CMC), c’est-à-dire comportant un renfort fibreux formé à partir de fibres en matériau céramique réfractaire densifié par une matrice également en matériau céramique réfractaire.
Les pièces en matériau composite Oxyde/Oxyde sont généralement élaborées par drapage dans un moule d’une pluralité de strates fibreuses réalisées à partir de fibres en oxyde réfractaire, les strates étant chacune préalablement imprégnées avec une barbotine chargée de particules d’oxyde réfractaire. L’ensemble des strates ainsi disposées est ensuite compacté à l’aide d’un contre-moule ou d’une bâche à vide et un passage en autoclave. La préforme chargée ainsi obtenue est alors soumise à un frittage ou un traitement thermique de céramisation afin de former une matrice en oxyde réfractaire dans la préforme et obtenir une pièce en matériau composite Oxyde/Oxyde. Cette technique peut être également utilisée pour réaliser des pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC) base carbone ou base carbure de silicium. Dans ce cas, les strates fibreuses sont réalisées à partir de fibres de carbure de silicium (SiC) ou de carbone et sont imprégnées avec une barbotine chargée de particules de carbure (ex. SiC), de borure (ex. TiB2), de siliciure (ex. MoSi2), de nitrure (ex. Si3N4) ou de carbone.
Cependant, ce type de procédé d’élaboration ne permet de réaliser que des pièces en matériau composite Oxyde/Oxyde ou CMC ayant des caractéristiques mécaniques limitées dans certaines directions. En particulier, ces matériaux ont une faible tenue au délaminage et ne résistent pas bien aux efforts de cisaillement.
La réalisation de textures fibreuses obtenues par tissage tridimensionnel entre des fils continues de chaîne et de trame permet d’augmenter la résistance mécanique du matériau et en particulier sa résistance au délaminage. Dans ce cas et également pour des textures 2D de forte épaisseur, seuls les procédés utilisant un gradient de pression, comme les procédés de type infusion, moulage par injection dits « RTM » ou aspiration de poudre submicronique dits « APS », permettent de faire pénétrer une barbotine chargée dans la texture fibreuse dont l’épaisseur peut atteindre plusieurs dizaines de millimètres selon les applications visées.
Cependant, le gradient de pression entre la partie de la texture fibreuse par laquelle la barbotine chargée est injectée et l’autre partie de la texture fibreuse par laquelle la phase liquide de la barbotine doit être évacuée est difficile à contrôler sur l’ensemble de la texture fibreuse. Si la pression n’est pas équilibrée sur l’ensemble de la surface de la texture fibreuse en regard du fond du moule comportant un ou plusieurs évents d’évacuation par lequel ou lesquels la phase liquide de la barbotine doit être évacuée, il se crée une différence de pression entre les zones proches des évents et les zones plus éloignées. Dans ce cas, l’évacuation de la phase liquide est délicate car celle-ci doit être retirée de la texture sans perturber la répartition des particules solides (oxyde réfractaire, carbure, borure, nitrure, etc.) déposées via la barbotine. En effet, lors de son évacuation, la phase liquide peut emmener avec elle des particules et/ou modifier la répartition de ces dernières dans la texture fibreuse et conduire à l’apparition d’importantes porosités dans le matériau final en raison du manque de matrice à certains endroits.
Pour résoudre ces problématiques, on peut interposer un élément rigide ajouré, ou une portion perforée, entre le fond du moule et la texture fibreuse. La phase liquide de la barbotine peut ainsi atteindre facilement le ou les évents d’évacuation quel que soit son point de sortie au niveau de la texture fibreuse. Un tel élément est par exemple décrit dans le document WO2017187050.
En revanche, l’utilisation d’un tel élément rigide ajouré ne permet pas d’obtenir une vitesse d’écoulement homogène de la phase liquide dans la texture fibreuse. En effet, au sein de la texture fibreuse, la phase liquide s’écoulera plus vite dans les zones situées au-dessus des perçages de l’élément rigide ajourée et moins vite dans les autres zones, provoquant une répartition non-homogène des particules dans la texture fibreuse. Cette hétérogénéité des vitesses d’écoulement est présente même pour les éléments rigides ayant un taux de perçage élevé.
En outre, afin de faciliter l’écoulement de la phase liquide, l’élément rigide ajouré doit comporter de nombreux perçages, encoches et découpes, ce qui rend sa fabrication longue et coûteuse.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de proposer une solution qui permet de réaliser des pièces en matériau composite notamment de type Oxyde/Oxyde ou CMC, et ce de manière rapide et fiable tout en permettant un bon contrôle du dépôt et de la répartition des particules solides dans la texture fibreuse afin d’obtenir un matériau sans macroporosité.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- formation d’une texture fibreuse à partir de fibres céramiques réfractaires,
- placement de la texture fibreuse dans un moule comportant dans sa partie inférieure une strate de filtration sur laquelle repose une première face de ladite texture fibreuse, le moule comprenant en outre une portion perforée interposée entre le fond du moule et la strate de filtration,
- fermeture du moule avec un contre-moule ou un couvercle placé en regard d’une deuxième face de la texture fibreuse,
- injection sous pression d’un liquide contenant une poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire dans la texture fibreuse,
- drainage par la strate du filtration du liquide ayant traversé la texture fibreuse et rétention de la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire à l’intérieur de ladite texture par ladite strate de filtration de manière à obtenir une préforme fibreuse chargée de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire, le liquide étant évacué par la portion perforée et par au moins un évent présent sur le fond du moule,
- séchage de la préforme fibreuse,
- démoulage de la préforme fibreuse, et
- traitement thermique des particules céramiques réfractaires ou des particules d’un précurseur de céramique réfractaire présentes dans la préforme fibreuse afin de former une matrice céramique réfractaire dans ladite préforme,
le procédé étant caractérisé en ce qu’un élément de distribution présentant une perméabilité supérieure à celle de la strate de filtration est interposé entre ladite strate de filtration et la portion perforée.
L’élément de distribution a pour fonction de drainer la phase liquide filtrée par la strate de filtration, en comprenant un réseau de porosité qui permet une répartition plus homogène de la phase liquide au niveau de la portion perforée du moule. En utilisant un tel élément de distribution, le procédé de l’invention permet une vitesse d’écoulement du liquide plus homogène en tout point de la texture fibreuse, permettant une meilleure homogénéité de répartition des particules dans la texture fibreuse et réduisant ainsi les risques de macroporosité. En outre, la présence de l’élément de distribution permet de réduire le nombre de perçages, d’encoches et découpes de la portion perforée du moule, tout en conservant un écoulement satisfaisant du liquide de la barbotine. Ainsi, la fabrication d’une telle portion perforée est simplifiée, entraînant une réduction des coûts.
La portion perforée peut être un élément rigide ajouré distinct du moule. Le contre-moule ou le couvercle utilisé pour fermer le moule peut être une bâche ou une membrane imperméable déformable.
L’élément de distribution présente une perméabilité supérieure à celle de la portion perforée.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’élément de distribution présente une perméabilité longitudinale comprise entre 10-8et 10-10m2.
Par perméabilité longitudinale de l’élément de distribution, on désigne la perméabilité de l’élément de distribution dans les directions perpendiculaires à l’axe de superposition de l’élément de distribution avec la portion perforée et la strate de filtration.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’élément de distribution présente un taux de porosité d’au moins 60% avec une taille des pores supérieure à 0,1 mm.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’élément de distribution est en un matériau choisi parmi un des matériaux suivants : polytétrafluoroéthylène (PTFE), matériau métallique, polymère.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la portion perforée est en un matériau choisi parmi un des matériaux suivants : polytétrafluoroéthylène (PTFE), matériau métallique, polymère.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le moule dans lequel est placé la texture fibreuse comprend une chambre d'imprégnation comportant dans sa partie inférieure la strate de filtration sur laquelle repose une première face (20b) de ladite texture et la portion perforée présente sur le fond du moule, la chambre d'imprégnation étant fermée dans sa partie supérieure par une membrane imperméable déformable placée en regard d'une deuxième face de la texture fibreuse, ladite membrane séparant la chambre d'imprégnation d'une chambre de compaction, le liquide contenant la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d'un précurseur de céramique réfractaire étant injecté dans la chambre d'imprégnation entre la deuxième face de la texture fibreuse et la membrane, un fluide de compaction étant injecté dans la chambre de compaction, le fluide exerçant une pression sur la membrane pour forcer le liquide contenant la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d'un précurseur de céramique réfractaire à traverser la texture fibreuse.
Ainsi, l’utilisation d’une membrane permet d’améliorer l’homogénéité des particules dans la texture fibreuse, réduisant ainsi les risques de macroporosité. L’injection du liquide contenant la poudre de particules peut être réalisée avant, pendant ou après l’injection du fluide de compaction.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, lors de l’étape de la formation de la texture fibreuse, les fils sont tissés suivant un tissage tridimensionnel ou multicouche.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les fils de la préforme sont formés de fibres constituées d’un ou plusieurs des matériaux suivants : l’alumine, la mullite, la silice, un aluminosilicate, un aluminophosphate, la zircone, un carbure, un borure, un nitrure et du carbone.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les particules céramiques réfractaires sont en un matériau choisi parmi : l’alumine, la mullite, la silice, un aluminosilicate, un aluminophosphate, la zircone, un carbure, un borure, un nitrure et du carbone.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la pièce en matériau composite obtenue constitue un anneau, une aube, une chambre de combustion de turbomachine, une pièce d’arrière-corps, un volet ou un bras postcombustion.
La est une vue schématique en perspective éclatée d'un outillage conformément à un mode de réalisation de l'invention.
La est une vue schématique en coupe montrant l'outillage de la fermé avec une texture fibreuse positionnée dans celui-ci.
La est une vue schématique en coupe montrant les étapes d'imprégnation d'une texture fibreuse avec une barbotine chargée dans l'outillage de la .
La est une vue schématique en coupe éclatée d'un outillage conformément à un autre mode de réalisation de l'invention.
La est une vue schématique en coupe montrant l'outillage de la fermé avec une texture fibreuse positionnée dans celui-ci.
La est une vue schématique en coupe montrant une étape d’imprégnation d’une texture fibreuse avec une barbotine chargée dans l’outillage de la .
La est une vue schématique en coupe montrant une autre étape d’imprégnation d’une texture fibreuse avec une barbotine chargée dans l’outillage de la .

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
    - formation d’une texture fibreuse (10) à partir de fibres céramiques réfractaires,
    - placement de la texture fibreuse (10) dans un moule (110) comportant dans sa partie inférieure une strate de filtration (130) sur laquelle repose une première face (10b) de ladite texture fibreuse, le moule (110) comprenant en outre une portion perforée (150) interposée entre le fond (111) du moule (110) et la strate de filtration (130),
    - fermeture du moule avec un contre-moule ou un couvercle (120) placé en regard d’une deuxième face (10a) de la texture fibreuse (10),
    - injection sous pression d’un liquide (160) contenant une poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire dans la texture fibreuse (10),
    - drainage par la strate du filtration (130) du liquide (160) ayant traversé la texture fibreuse (10) et rétention de la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire à l’intérieur de ladite texture (10) par ladite strate de filtration (130) de manière à obtenir une préforme fibreuse (15) chargée de particules céramiques réfractaires ou de particules d’un précurseur de céramique réfractaire, le liquide étant évacué par la portion perforée et par au moins un évent présent sur le fond du moule,
    - séchage de la préforme fibreuse (15),
    - démoulage de la préforme fibreuse (15), et
    - traitement thermique des particules céramiques réfractaires ou des particules d’un précurseur de céramique réfractaire présentes dans la préforme fibreuse afin de former une matrice céramique réfractaire dans ladite préforme,
    le procédé étant caractérisé en ce qu’un élément de distribution (140) présentant une perméabilité supérieure à celle de la strate de filtration (130) est interposé entre ladite strate de filtration (130) et la portion perforée (150).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément de distribution (140) présente une perméabilité longitudinale comprise entre 10-8et 10-10m2.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’élément de distribution (140) présente un taux de porosité d’au moins 60% avec une taille des pores supérieure à 0,1 mm.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’élément de distribution (140) est en un matériau choisi parmi un des matériaux suivants : polytétrafluoroéthylène (PTFE), matériau métallique, polymère.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moule (210) dans lequel est placé la texture fibreuse comprend une chambre d'imprégnation (201) comportant dans sa partie inférieure la strate de filtration (230) sur laquelle repose une première face (20b) de ladite texture (20) et la portion perforée (250) présente sur le fond (211) du moule (210), la chambre d'imprégnation (201) étant fermée dans sa partie supérieure par une membrane imperméable déformable (280) placée en regard d'une deuxième face (20a) de la texture fibreuse (20), ladite membrane (280) séparant la chambre d'imprégnation (201) d'une chambre de compaction (202), le liquide (260) contenant la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d'un précurseur de céramique réfractaire étant injecté dans la chambre d'imprégnation entre la deuxième face (20a) de la texture fibreuse (20) et la membrane (280), un fluide de compaction (270) étant injecté dans la chambre de compaction (202), le fluide exerçant une pression sur la membrane (280) pour forcer le liquide (260) contenant la poudre de particules céramiques réfractaires ou de particules d'un précurseur de céramique réfractaire à traverser la texture fibreuse (20).
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, lors de l’étape de la formation de la texture fibreuse, les fils sont tissés suivant un tissage tridimensionnel ou multicouche.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les fils de la préforme sont formés de fibres constituées d’un ou plusieurs des matériaux suivants : l’alumine, la mullite, la silice, un aluminosilicate, un borosilicate, du carbure de silicium et du carbone.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les particules céramiques réfractaires sont en un matériau choisi parmi : l’alumine, la mullite, la silice, un aluminosilicate, un aluminophosphate, la zircone, un carbure, un borure, un nitrure et du carbone.
  9. Procédé selon l’un quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce en matériau composite obtenue constitue un anneau, une aube, une chambre de combustion de turbomachine, une pièce d’arrière-corps, un volet ou un bras postcombustion.
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