WO2024256783A1 - Module de préchauffage, four comprenant un tel module de préchauffage et procédé de densification et de consolidation d'une pièce au moyen d'un tel module de préchauffage - Google Patents

Module de préchauffage, four comprenant un tel module de préchauffage et procédé de densification et de consolidation d'une pièce au moyen d'un tel module de préchauffage Download PDF

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preheating module
gas mixture
walls
module
wall
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PCT/FR2024/050770
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Simon Lucien René THIBAUD
Benjamin COSSOU
Cédric DESCAMPS
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Safran Ceramics SA
Original Assignee
Safran Ceramics SA
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Publication date
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    • F27D7/00—Forming, maintaining or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/02—Supplying steam, vapour, gases or liquids
    • F27D2007/023—Conduits

Definitions

  • TITLE PREHEATING MODULE, OVEN COMPRISING SUCH A PREHEATING MODULE AND METHOD FOR DENSIFICATION AND
  • the invention relates to the technical field of preheating modules intended to equip furnaces for the densification and consolidation of parts made of ceramic matrix composite (CMC), in particular carbide-based.
  • CMC ceramic matrix composite
  • the invention also relates to such furnaces.
  • the invention relates to methods for densifying and/or consolidating a part made of ceramic matrix composite using such preheating modules.
  • Such densification and/or consolidation processes are used, for example, in the aeronautics field in order to manufacture parts capable of withstanding high temperatures. This is particularly the case for parts forming the turbine(s) of an aircraft turbomachine, for example the sectors of the rings used to delimit the external periphery of a turbine vein.
  • Carbide-based CMC material parts are particularly proposed as an alternative to metal alloy-based parts because they have better mechanical properties at high temperatures and for a significantly lower density.
  • a mixture of reactive gases is injected into the furnace, then by decomposing on the hot surfaces of said parts, these reactive gases form a ceramic coating whose composition can be controlled.
  • the formation of the ceramic layer is implemented by densifying and then consolidating the parts. These steps are generally implemented by Chemical Vapor Infiltration.
  • FIGS. 1a and 1b respectively illustrate a 1-well furnace and a cellular furnace 1 for the consolidation and densification of a part made of CMC material.
  • Each furnace comprises a treatment module 2 in which the consolidation and densification operations of the part(s) P are implemented, a depletion module 5 used to capture the residual part of the gas mixture and the reaction by-products, as well as a preheating module 10' used to gradually bring the gas mixture to the desired temperature in the treatment module 2.
  • each furnace 1 comprises, as the case may be, one or more injectors 4 conveying the reagents to be used.
  • the reagents can thus, via an inlet located at a lower edge 17' of the preheating module 10', be released into the furnace 1.
  • the well furnace the capacity of which is greater than the cellular furnace, can advantageously comprise several crucibles 4.
  • the preheating module 10’, the treatment module 2 and the depletion module are stacked in this order from a lower edge of the furnace to an upper edge of the furnace.
  • the preheating module 10’ is located upstream of the treatment module 2 and the treatment module 2 is itself located upstream of the depletion module 5 along a stacking axis X of the preheating module 10’, the treatment module 2 and the depletion module 5.
  • This stacking axis X also defines the main flow direction of the gas mixture.
  • the treatment module 2 comprises a cavity 3 for accommodating the part(s) P. As illustrated in FIGS.
  • the well furnace differs from the cellular furnace in that it comprises a cavity 3 generally comprising several stages superimposed along the stacking axis X.
  • the cavity 3 comprises two stages.
  • the cavity of the cellular furnace illustrated in Figure 1b comprises only one stage, but it can comprise several stages.
  • FIG 2a illustrates more precisely a preheating module 10' known from the prior art.
  • This preheating module 10' can be used indifferently in a well furnace or a cellular furnace.
  • the preheating module 10' according to the prior art comprises a dispersion chamber 1 T of the gas mixture and a diffusion chamber 12' of this gas mixture as is better visible in Figure 2a.
  • the diffusion chamber 12' is separated from the dispersion chamber 1 T by a heat transfer cavity 30' comprising a plurality of horizontal walls spaced from each other vertically.
  • the dispersion chamber 1 T comprises, at the lower edge 17' of the preheating module, an inlet 25' as well as one or more horizontal walls 22', spaced from each other along the stacking axis X, which comprise a plurality of openings for dispersing the gas mixture. If the homogeneity of the gas mixture is to be improved, the number of horizontal walls 22' must be increased.
  • the diffusion chamber 12' including the cavity 30' of heat transfer, also includes a plurality of walls having openings for diffusing the gas mixture.
  • the gas mixture when the gas mixture circulates within the preheating module 10’, including within the dispersion chamber 11’, it moves mainly vertically, that is to say from the lower edge 17’ of the preheating module to an upper edge 18’ of the preheating module, using the passages created by the openings.
  • These movements of the gas mixture through the openings produce what is called a “baffle” of the gas mixture, which makes it possible to offer this gas mixture a hot surface allowing it to gradually reach the desired temperature, namely the temperature at which it is desired to carry out the consolidation and densification of the CMC material, by heat exchanges with the surfaces of the walls.
  • These exchanges are effective when the gas mixture diffuses transversely relative to the convective flow, which is favored when the gas mixture moves at low speed and low flow rate.
  • the flow is generally of the laminar type.
  • the preheating module 10’ occupies a relatively large volume.
  • the volume of the preheating module represents approximately 20% of the volume of the stack.
  • the diffusion chamber 12’ including the heat transfer cavity 30’, also comprises a plurality of walls having openings for diffusing the gas mixture.
  • the diffusion chamber 12’ can therefore have a dimension up to three times greater than that of the dispersion chamber 1 T in the stacking axis. In pit furnaces, this is acceptable to the extent that the parts can be loaded onto the different stages.
  • manufacturers are forced to adapt the furnaces and in particular to reduce their dimensions, especially along the stacking axis, in order to allow easier integration of these furnaces into pre-existing production lines. It is in this context that the cellular furnaces, previously mentioned, were developed.
  • the invention aims to overcome at least part of the above problems and provides a preheating module for a furnace for the consolidation and densification of CMC material parts having reduced dimensions in the main direction of movement of the gas mixture and allowing improved gas mixing despite the reduced dimensions.
  • the invention provides for this purpose a preheating module for a furnace, the preheating module comprising a dispersion chamber and a diffusion chamber arranged above the dispersion chamber and forming with the dispersion chamber a stack along a stack axis, the preheating module being intended to be traversed by a gas mixture moving along said stack axis from a lower edge of the preheating module to an upper edge of the preheating module, the dispersion chamber comprising a gas mixture bursting unit comprising an inlet located at the lower edge and a plurality of inner walls forming a flow path for the gas mixture, and the gas mixture diffusion chamber being located downstream of the dispersion chamber in the direction of circulation of the gas mixture, and comprising a heat transfer wall separating this diffusion chamber from the dispersion chamber, the gas mixture flow path extending mainly in directions of longitudinal and transverse axes orthogonal to the stacking axis, and the dimension of the diffusion chamber along the stacking axis not differing by more than 20% from the dimension of the dis
  • each inner wall comprises a plurality of fins extending from at least one surface of this inner wall, each fin making an open angle with the associated inner wall in the principal directions of flow of the gas mixture within the bursting unit.
  • the preheating module according to the invention has a significantly reduced dimension along the stacking axis.
  • the gas mixture when the gas mixture enters the bursting unit and flows in the flow path, it can flow mainly along the longitudinal axis and transverse axis directions and thus orthogonally to the main direction of movement.
  • the main components of the movement of the gas mixture are the components of movement along the longitudinal axis and the transverse axis.
  • the dispersion of the gas mixture therefore takes place mainly orthogonally to the stacking axis instead of along this stacking axis. This makes it possible to significantly reduce the dimensions of the dispersion chamber along the stacking axis.
  • the diffusion chamber can have, along the stacking axis, dimensions comparable to those of the dispersion chamber.
  • the fins further improve the mixing of the gases injected into the bursting unit.
  • Each of them makes an open angle with the associated inner wall in the main flow directions, which allows the gas mixture to maintain an appropriate flow velocity within the bursting unit while improving the mixing process.
  • a ratio between a length of the flow path and a dimension of the preheating module, along the longitudinal axis and/or the transverse axis is between 4 and 150; the inner walls are separated from each other by a distance between 20 mm and 100 mm; the bursting unit comprises at least one stage delimited, along the stacking axis, by a first peripheral wall and a second peripheral wall, the inner walls extending between the first peripheral wall and the second peripheral wall orthogonally to said first and second peripheral walls; the preheating module comprises at least one side wall extending around the stacking axis, said side wall comprising at least two diametrically opposed portions, and wherein a first series of inner walls extends from a first portion of the side wall and a second series of inner walls extends from a second portion of the side wall, the inner walls of the first series and the inner walls of the second series being arranged parallel to each other in a one-to-one alternating manner; the inner walls comprise two walls
  • the invention also relates to a furnace for the consolidation and densification of a part made of ceramic matrix composite material, the furnace comprising a treatment module comprising a cavity for receiving this part, and a preheating module as previously described, the preheating module being located under the treatment module and forming with the treatment module a second stack along the stacking axis.
  • the invention further relates to a method for consolidating and densifying a ceramic matrix composite part implemented using a furnace as previously described, the method comprising the following steps in this order:
  • step 130 concomitantly or subsequently to step 120), inject the gas mixture into the oven and wait until it reaches the desired temperature.
  • FIG. 1a is a schematic sectional view of a shaft furnace
  • FIG. 1 b is a schematic sectional view of a cellular furnace
  • FIG. 2a is a schematic sectional view of a preheating module known from the prior art
  • FIG. 2b is a schematic sectional view of a preheating module according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2c is a schematic sectional view of a preheating module according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic top view of a first example of a bursting unit for a preheating module according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a schematic top view of a second example of a bursting unit for a preheating module according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic top view of a third example of a bursting unit for a preheating module according to the invention.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of a fourth example of a bursting unit for a preheating module according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of a method of consolidating and densifying a part made of CMC material according to the invention.
  • the terms “upper”, “lower” are not limiting and simply serve to better understand the invention with reference to the illustrated figures.
  • the use of the term “lower” simply indicates that the element considered is closer to a lower edge, for example of the oven, in comparison with an element with which the term “upper” is associated.
  • a lower edge of the preheating module designates a part of the preheating module closer to the lower edge of the oven according to the invention.
  • first element When it is indicated that a first element is “upstream” of a second element, this means that the first element is located before the second element in relation to the direction of circulation, or travel, of the gas mixture.
  • downstream when the term “downstream” is used to describe the positioning of an element in relation to another element, this means that the first of the elements considered is located after the other of the elements in relation to the direction of circulation, or travel, of the gas mixture.
  • the invention relates to a furnace 1 for the consolidation and densification of a part P made of ceramic matrix composite material.
  • the furnaces illustrated in Figures 1a and 1b and described in the preamble to this description are, respectively, a pit furnace and a cellular furnace.
  • a preheating module 10, also the subject of the present invention, which will be described below, is equally well suited to a pit furnace, such as that of FIG. 1 a, as to a cellular furnace, such as illustrated in FIG. 1 b.
  • the preheating module 10 is also suited to other types of furnaces which are not mentioned in the present description and which are used for the consolidation and densification of parts made of CMC material.
  • the furnace is capable of being placed under vacuum.
  • the furnace 1 comprises a treatment module 2 in which the consolidation and densification operations of the part(s) P are implemented, a depletion module 5 used to capture the residual part of the gas mixture and the reaction by-products, as well as the preheating module 10, the latter used to gradually bring the gas mixture to the desired temperature in the treatment module 2.
  • the preheating module 10, the treatment module 2 and the depletion module 5 are stacked in this order from a lower edge of the furnace 1 to an upper edge of this furnace 1.
  • the preheating module 10 is located under the treatment module 2, the latter itself being located under the depletion module 5 from the lower edge of the furnace 1. More precisely, the gas mixture circulates from a lower edge 17 of the preheating module to an upper edge 18 of this preheating module by crossing the different zones of the preheating module 10.
  • the gas mixture is composed of several reactive gases.
  • the reactivity of the gases can come from several factors known to those skilled in the art. It can, for example, be reinforced by the temperatures at which these gases are heated within the preheating module 10.
  • the gas mixture is not limited to a particular type of precursor. It is simply appropriate to choose a gas mixture appropriate for the intended application.
  • the part P is made of a composite material with a ceramic matrix based on carbide.
  • the part P can be made of silicon carbide (SiC), boron nitride (BN), carbon, or even SiBN. In all cases, it is appropriate to use reactive gases appropriate for the consolidation and densification of the part in the material from which this part is made.
  • the preheating module 10 comprises a dispersion chamber 11 and a diffusion chamber 12 arranged above the dispersion chamber 11 and forming with the dispersion chamber 11 a stack along a stacking axis X.
  • This stacking axis X also defines the main flow direction of the gas mixture. in the furnace 1 and the stacking axis of the preheating module, the treatment module 2 and the depletion module 5.
  • the diffusion chamber 12 is located downstream of the dispersion chamber 11 in the direction of circulation of the gas mixture.
  • the diffusion chamber 12 comprises a heat transfer wall 30 which separates it from the dispersion chamber 11. We will return to this in more detail later.
  • the dispersion chamber 11 has the role of dispersing the gases in order to allow a first mixing of these gases.
  • the gases therefore do not necessarily enter in the form of a gas mixture into the dispersion chamber 11 and may only be mixed inside this dispersion chamber 11.
  • the dispersion chamber 11 also has the function of homogenizing the gas mixture. This improves the heating of the gas mixture, that is to say that the temperature setting of said gas mixture is facilitated.
  • the gases are therefore not only in the form of a mixture but also in the form of a homogeneous mixture.
  • the dispersion chamber 11 comprises a unit 20 for bursting the gas mixture making it possible to mix and homogenize the gases.
  • the bursting unit 20 is provided with an inlet 25 located at the lower edge 17 of the preheating module. It is through the inlet 25 that the gases or the gas mixture, as the case may be, enter(s) the furnace 1 according to the invention.
  • the furnace 1 comprises one or more injectors 4 containing the reagents necessary for the process of consolidation and densification of the part.
  • the reagents are generally brought into the furnace in a gaseous form at room temperature.
  • the reagents are more precisely injected into the bursting unit 20 via the inlet 25 in order to be mixed therein homogeneously.
  • the inlet 25 consists of a single opening formed in the lower edge 17 of the preheating module.
  • the inlet 25 may be formed of a plurality of openings.
  • the number, shape and dimensions of the openings are not limiting within the scope of the invention. That being said, as we will see later, it is preferable for the dimensions of the opening or openings forming the inlet 25 to be chosen so as to allow the reactants to enter the bursting unit 20 at a speed of between 0.1 m/s (meters per second) and 10 m/s, preferably between 0.1 m/s and 2 m/s. This in fact gives the gas mixture appropriate movement kinetics within the bursting unit 20.
  • the bursting unit 20 includes a plurality of interior walls 22 that form a flow path 21 for the gas mixture.
  • the flow path 21 is a passage formed in the flow unit 20 that guides the gas mixture from the inlet 25 of the bursting unit to an outlet 26 of the bursting unit.
  • the path 21 marks thus the path of the gas mixture as it flows within the bursting unit 20. Beyond these considerations, the path 21 is configured to disperse the gas mixture as it flows within the bursting unit 20, which we will discuss in more detail later.
  • the bursting unit 20 comprises a stage 20a delimited, along the stacking axis X, by a first peripheral wall 23 and a second peripheral wall 24 between which the inner walls 22 extend. That being said, the bursting unit 20 may comprise a plurality of stages 20a, 20b, ... as illustrated in FIG. 2c, the stages being located one after the other along the stacking axis X. In this configuration, the bursting unit 20 comprises intermediate walls 23i between each stage 20a, 20b, ... which form the physical limit between each stage.
  • the intermediate walls 23i have the same longitudinal and transverse dimensions as the first 23 and second 24 peripheral walls.
  • the configuration, namely the arrangement of the inner walls 22, is identical from one stage to the next. This makes it possible in particular to simplify the manufacturing process of the preheating module 10. However, this is not mandatory.
  • the number of stages in the bursting unit 20 it is preferable for the number of stages in the bursting unit 20 not to exceed two, which makes it possible to have a good compromise between obtaining a sufficient and homogeneous gas mixture on the one hand and a height of the preheating module 10, the height of the preheating module 10 being its dimension along the stacking axis X. It is preferable to maintain a height of at least 20 mm for each stage in order to allow sufficient flow of the gas mixture in the path 21 while promoting heat exchanges.
  • the distal inner walls 22 are continuous, i.e. they do not include openings.
  • the gas mixture passes from one stage to the other by means of openings 22f located near the ends of the intermediate walls 23i.
  • the gas mixture therefore travels through almost the entire upstream stage, i.e. the lower stage, before reaching the downstream stage, the upper stage. Furthermore, it can only exit the upper stage through a distal opening 24a of the openings 22f of the lower stage.
  • the distal opening 24a is made in the center of the second peripheral wall 24, which allows the mixture to travel the path 21 of the upper stage again before exiting the bursting unit 20.
  • the bursting unit 20 comprises several stages 20a, 20b, etc.
  • the gap between the last stage of the bursting unit 20 and the transfer wall 30 along the stacking axis X is greater than or equal to 20 mm.
  • the flow path 21 of the gas mixture extends mainly in directions of longitudinal axes Y and transverse axes Z, the longitudinal axis Y and the transverse axis Z being orthogonal to the stacking axis X.
  • FIGS. 3 to 5 illustrating a top view in section of the interior of the bursting unit 20 according to alternative embodiments of the preheating module 10 according to the invention.
  • the inner walls 22 are arranged so that the flow path 21 of the gas mixture extends mainly orthogonally to the stacking axis X.
  • the gas mixture flows mainly in directions orthogonal to the stacking axis X.
  • the main components of the three-dimensional displacement of the gas mixture are defined along the longitudinal axis Y and the transverse axis Z.
  • the “horizontal” volume of the bursting unit 20 is therefore essentially used to mix and homogenize the gas mixture instead of its “vertical” volume.
  • the dimension of the diffusion chamber 12 along the stacking axis X does not differ by more than 20% compared to the dimension of the dispersion chamber 11 along this stacking axis.
  • the dimension of the diffusion chamber 12 along the stacking axis X can be significantly reduced to the extent that, as indicated above, the gas mixture can be heated more quickly. This has the direct consequence of allowing a reduction in the useful surface, that is to say of the useful area, for heating the gas mixture.
  • the diffusion chamber 12 can therefore have much fewer walls either at the level of the transfer zone (transfer wall 30) heat than in the diffusion zone (diffusion walls 35).
  • the heat transfer zone can therefore be reduced to a transfer wall 30 instead of having a heat transfer cavity 30' comprising a plurality of transfer walls.
  • the size of the diffusion chamber 12 can therefore be divided by three in comparison with the size of the diffusion chambers 12' known from the prior art.
  • a ratio between a length of the flow path 21 and a dimension of the preheating module, along the longitudinal axis Y and/or the transverse axis Z is between 4 and 150.
  • the term “length of the path 21” is understood to mean the distance over which the flow path 21 extends, taking into account the tortuosities made by the latter.
  • the term “tortuosities” is understood to mean the different changes of direction made by the flow path 21 in the absence of discontinuity, i.e. of break in said path 21.
  • the appropriate length of the flow path 21 depends on the dimensions of the preheating module 10, so that it is appropriate to adapt the length of the path 21 according to the dimensions of the preheating module.
  • the gas mixture is forced to make at least one change of direction while moving inside the bursting unit 20.
  • the gas mixture undergoes several changes of direction while circulating within the bursting unit 20, which increases the residence time of the gas mixture in the bursting unit 20 and therefore further promotes gas mixtures.
  • inner walls 22 distal to the inlet 25 can comprise a plurality of openings 22e.
  • the openings 22e in fact make it possible to manage the pressure losses at the outlet of the bursting unit 20.
  • FIG. 2b which does not show a sectional view, one of these openings 22e can be seen.
  • the distal inner walls 22 are the inner walls 22 furthest from the inlet 25 through which the gas mixture enters the bursting unit 20.
  • these distal inner walls 22 are the outer inner walls 22 relative to the central position of the inlet 25.
  • the inlet 25 does not necessarily occupy a central position in the preheating module 10 and, similarly, the distal inner walls 22 are not necessarily the outer inner walls 22.
  • the inner walls 22 extend between the first 23 peripheral wall and the second 24 peripheral wall orthogonally to said first 23 and second 24 peripheral walls.
  • the 20 bursting units therefore extend vertically in this case - unlike the horizontal walls 22' of the dispersion chamber 11' known from the prior art - over the entire height of the stage 20a of the bursting unit. It should be noted that the height of the stage 20a corresponds to the distance separating the first peripheral wall 23 and the second peripheral wall 24.
  • the interior walls 22 extend between the walls delimiting this floor. This may be, depending on the case, between the first peripheral wall 23 and one of the intermediate walls 23i or between two intermediate walls 23i or between one of the intermediate walls 23i and the second peripheral wall 24. Furthermore, as can be well understood, these are the interior walls 22 with the exception of the interior walls 22 distal to the entrance when the latter are perforated, that is to say comprise a plurality of openings 22e, since by nature these distal interior walls 22 do not extend over the entire height of the floor 20a or of each floor.
  • the inner walls 22 extend over the entire height of the bursting unit 20 makes it possible to promote a laminar flow in which the shear stresses are imposed by the tortuosities of the path 21.
  • the mixing and homogenization of the gas mixture are adjustable by the length of the path.
  • the continuity of the inner walls 22 over the height of the stage 20a allows the control of the flow dynamics of the gas mixture in the bursting unit 20 to be ensured by the tortuosities of the path 21.
  • the roughness and textures of the surfaces of these inner walls 22 could also play a role in this flow dynamics.
  • the flow dynamics is little dependent on the roughness or texture of the surfaces because the phenomena occurring at the macroscopic level, taking into account the tortuosities of the path 21, are preponderant.
  • each of the inner walls comprises a plurality of fins 27 extending from at least one surface of this inner wall.
  • Such fins are for example visible in FIG. 4. They make it possible to further improve the mixing of the gases injected into the bursting unit 20.
  • the fins 27 are in the form of projections extending obliquely from the surfaces of the inner walls 22. More precisely, each fin 27 makes an open angle with the wall 22 internal to which it is associated in the main directions of flow of the gas mixture within the bursting unit 20.
  • the fins 27 can extend as desired from both surfaces of an inner wall 22 or extend only from one of the surfaces of an inner wall 22. This choice is made ab initio, that is to say at the time of designing the preheating module 10 according to the invention, depending on the dimensional constraints, in particular along the longitudinal axis Y and/or along the transverse axis X, for the manufacture of said preheating module.
  • the inner walls 22 are separated from each other by a distance or gap of between 20 mm and 100 mm, which makes it possible to provide heat exchange surfaces between the gas mixture and the solid surfaces of the inner walls 22. These distances may vary according to the general dimensions of the preheating module. Too small a gap may lead to premature blocking of the path 21 and pressure loss phenomena may occur. In such a situation, it may be difficult to achieve the appropriate pressure in the furnace 1. Too large a gap makes the heat exchanges between the gas mixture and the less efficient inner walls 22.
  • the inner walls 22 are separated from each other by a distance of between 40 mm and 60 mm, which represents a good compromise between the risk of blockage of the path 21 and the efficiency of the heat exchanges.
  • first peripheral wall 23 and the second peripheral wall 24 are preferably separated by a distance di between 20 mm and 100 mm, and more preferably between 40 mm and 60 mm.
  • the preheating module 10 comprises at least one side wall 13 extending around the main axis X, this side wall 13 preferably comprising at least two diametrically opposed portions 13a, 13b.
  • the side wall 13 has a parallelepiped shape in sectional view. However, this is not obligatory and the side wall 13 may quite have a section of another shape, for example a circular section.
  • the wall may preferably comprise at least a first portion 13a and a second portion 13b diametrically opposed to the first portion 13b.
  • a first series of interior walls 22a extends from the first portion 13a of the side wall and a second series of interior walls 22b extends from a second portion 13b of the side wall, the interior walls 22a of the first series and the interior walls 22b of the second series being arranged parallel to each other alternately one by one.
  • the interior walls 22a of the first series and the interior walls 22b of the second series are parallel and arranged so that an interior wall of one of the series is interposed between two successive interior walls of the other of the series, with the exception of course of the distal interior walls 22.
  • each series comprises a total of four interior walls 22a, 22b respectively. This forms a path 21 in which substantially II-shaped half-loops follow one another. This configuration makes it possible to obtain a path 21 which is both compact and which promotes heat exchange.
  • the bursting unit 20 illustrated in Figure 4 differs substantially from that illustrated in Figure 3 only in that the inner walls 22 include fins 27, which as seen previously, further promotes heat exchange.
  • the inlet 25 occupies a substantially central position on the first peripheral wall 23, so that the inner walls 22a of the first series and the inner walls 22b of the second series are arranged on each side thereof. In this configuration, there are in practice two paths 21 in which the gas mixture circulates by performing the same paths but in opposite longitudinal and transverse directions.
  • the inner walls 22 are arranged in a spiral or labyrinth shape.
  • This configuration has the advantage of offering a path 21 of greater length than the configuration seen with reference to the first embodiment variant. Indeed, there is less wasted space around the central zone of the first peripheral wall 23, which in this embodiment is occupied by the outlet 26 of the bursting unit 20. Thus, the gas mixture travels a longer path, which makes it possible to further promote the mixing and homogenization of the gases between the inlet 25 and the outlet 26.
  • the inlet 25 is positioned at one end of the bursting unit 20, while as indicated above the outlet 26 occupies a central position. This makes it easier to implement the labyrinthine profile of the path 21.
  • a third series of interior walls 22c extends from the first peripheral wall 23 and a fourth series of interior walls 22d extends from the second peripheral wall 24, the interior walls 22c of the first series and the interior walls 22d of the second series being arranged parallel to each other in alternation one by one.
  • This configuration differs from that seen in the first variant only in that instead of extending from the first and second portions 13a, 13b of the side wall, the interior walls 22 extend from the first 23 and second 24 peripheral walls.
  • each series comprises a total of eight inner walls 22a, 22b respectively. This forms a path 21 in which substantially II-shaped half-loops follow one another. This configuration makes it possible to obtain a path 21 which is both compact and which promotes heat exchange.
  • the ratio between the surface created on the one hand by the interior walls 22, the peripheral walls 23, 24 and, where appropriate where appropriate, the intermediate walls 23i and on the other hand by the volume of the bursting unit 20 is between 3.1 and 3.3. It should be noted, at this stage, that this ratio is between 3 and 4 in the dispersion chambers 11 'known from the prior art. This gives very high efficiency to the bursting unit 20 and more generally to the furnace 1. Indeed, the ratio between heat exchange surfaces and overall volume of the preheating zone is lowered. In a smaller volume, heat exchange is maintained at the appropriate level, or even at a higher level. This ratio may even be lower depending on the design methods.
  • the transfer wall 30 comprises a plurality of first openings 31 occupying 20% to 35%, not included, of its total surface area.
  • the transfer wall 30 allows the mixture to continue its journey to the diffusion chamber 12 while having a useful surface area sufficient to carry out heat exchanges with the gas mixture.
  • the difference between the temperature of the transfer wall 30 and the desired temperature in the treatment module 2 is smaller than the difference between the temperature in the bursting unit 20 and the desired temperature in the treatment module 2.
  • the diffusion chamber 12 may in this regard comprise a plurality of diffusion walls 35, each diffusion wall 35 comprising second openings 36 occupying 35% to 50% of a total surface area of the diffusion walls 35, preferably between 40% and 60% of a total surface area of the diffusion walls 35.
  • each diffusion wall 35 comprising second openings 36 occupying 35% to 50% of a total surface area of the diffusion walls 35, preferably between 40% and 60% of a total surface area of the diffusion walls 35.
  • the invention also relates to a method 100 for consolidating and densifying a ceramic matrix composite part P implemented by means of a furnace as described above.
  • a method 100 for consolidating and densifying a ceramic matrix composite part P implemented by means of a furnace as described above.
  • the dispersion chamber 11 is the furthest from the treatment module 2. It has a temperature between -200°C and -30°C relative to the desired temperature in the treatment module 2. More specifically, the bursting unit 20 has a temperature between -200°C and -100°C relative to the desired temperature in the treatment module 2. relative to the desired temperature in the treatment module 2.
  • the transfer wall 30 may advantageously have a temperature of -30°C relative to the desired temperature in the treatment module 2.
  • the diffusion chamber 12 has a temperature between -30°C (at its transfer wall 30) and -5°C (at the upper edge 18 of the preheating module 10) relative to the desired temperature in the treatment module 2. This is how the area at which the object is located in the treatment module 2 can reach the desired temperature.
  • the difference of 5°C relative to the upper edge 18°C of the preheating module is directly filled in a lower part of the treatment module.
  • the method 100 comprises a first step 110) consisting of providing an oven 1 as previously described.
  • the part P made of CMC material is placed concomitantly in the treatment module 2 of the oven.
  • the method 100 comprises a second step 120) comprising two sub-steps 122) and 124).
  • the temperature TUE in the bursting unit 20 is expected to reach a value between -100°C and -200°C relative to a desired TMC temperature in the treatment module 2.
  • the preheating module is supplied with cold gas, these gases subsequently being caused to heat up in the preheating module 10.
  • the temperature TCD in the diffusion chamber 12 is expected to reach a value between -30°C and -5°C relative to the desired TMC temperature in the treatment module 2.
  • the first sub-step 122) and the second sub-step 124) may be carried out concomitantly.
  • This second step 120) can advantageously be implemented by means of a control module (not shown) used to control the oven 1 according to the invention.
  • the control module can be provided with a processor comprising the instructions for implementing the second step 120).
  • the method 100 comprises a third step 130) which can be carried out concomitantly or subsequently to the second step 120).
  • the gas mixture is injected into the furnace 1 and waited until it reaches the desired TMC temperature. This temperature is reached by means of the preheating module 10 as previously described.
  • the gas mixture passes successively from the preheating module 10 to the treatment module 2.
  • the gas mixture passes, in this order, the bursting unit 20, the dispersion chamber 11 (zone outside the bursting unit), the transfer wall 30 and the diffusion chamber 12.
  • the gas mixture carries out numerous heat exchanges with the surfaces of the interior walls 22 of the bursting unit 20 and then with the transfer wall 30 which makes it possible to reach the desired temperatures by extending the path of this gas mixture.
  • the bursting unit 20 comprises several stages 20a, 20b, ... then the gas mixture passes through each stage before exiting the bursting unit 20.
  • the dimensions of the opening or openings forming the inlet 25 are chosen so as to allow the reactants to enter the bursting unit 20 at a speed of between 0.1 m/s and 10 m/s, preferably between 0.1 m/s and 2 m/s.
  • a fourth step 140 as the gas mixture has reached the desired temperature in the treatment module 2, the part is consolidated.
  • the duration of this step depends on the process that is desired to be carried out and the pressure and temperature parameters chosen.
  • the part is densified. As for the consolidation step 140), the duration of this fifth step depends on the process that is desired to be carried out and the pressure and temperature parameters chosen.

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Abstract

L'invention concerne un module de préchauffage (10) comportant une chambre de dispersion (11) comprenant une unité (20) d'éclatement du mélange de gaz comprenant une entrée (25) située au niveau de la bordure inférieure (17) et une pluralité de parois (22) intérieures formant un chemin (21 ) d'écoulement du mélange de gaz; et une chambre de diffusion (12) située en aval de la chambre de dispersion (11) disposée au-dessus de la chambre de dispersion et formant avec la chambre de dispersion un empilement. Le chemin (21) d'écoulement du mélange de gaz s'étend principalement selon des directions d'axes longitudinal (Y) et transversal (Z) orthogonaux à un axe (X) d'empilement, et en ce que la dimension de la chambre de diffusion (12) le long de l'axe (X) d'empilement ne diffère pas de plus de 20% par rapport à la dimension de la chambre de dispersion (11) le long de cet axe d'empilement.

Description

DESCRIPTION
TITRE : MODULE DE PRÉCHAUFFAGE, FOUR COMPRENANT UN TEL MODULE DE PRÉCHAUFFAGE ET PROCÉDÉ DE DENSIFICATION ET DE
CONSOLIDATION D’UNE PIÈCE AU MOYEN D’UN TEL MODULE DE PRÉCHAUFFAGE
Domaine technique de l’invention
L’invention a trait au domaine technique des modules de préchauffage destinés à équiper des fours pour la densification et la consolidation de pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC), notamment à base de carbure. L’invention concerne également de tels fours. L’invention concerne enfin les procédés de densification et/ou consolidation d’une pièce en matériau composite à matrice céramique au moyen de tels modules de préchauffage.
Arrière-plan technique
De tels procédés de densification et/ou de consolidation sont par exemple utilisés dans le domaine de l’aéronautique afin de fabriquer des pièces capables de résister à de hautes températures. Cela est notamment le cas des pièces formant la ou les turbines d’une turbomachine d’aéronef, par exemple les secteurs des anneaux permettant de délimiter la périphérie externe d’une veine de turbine.
Les pièces en matériau CMC à base de carbure sont notamment proposées en alternative aux pièces à base d’alliages métalliques car elles présentent de meilleures propriétés mécaniques à haute température et pour une densité significativement moindre. Aux fins de la fabrication de ces pièces, un mélange de gaz réactifs est injecté dans le four, puis en se décomposant sur les surfaces chaudes desdites pièces, ces gaz réactifs forment un revêtement céramique dont la composition peut être contrôlée. Sur le plan opérationnel, la formation de la couche en céramique est mise en oeuvre en opérant une densification puis une consolidation des pièces. Ces étapes sont généralement mises en oeuvre par Infiltration en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » en anglais).
Avant d’être injectés dans le four et d’atteindre les pièces, le mélange de gaz doit être chauffé afin d’une part de prévenir une inhomogénéité du mélange de gaz et d’autre part d’éviter une inadéquation entre la composition souhaitée pour le mélange et la composition réellement obtenue. À cet égard, le mélange de gaz doit être préparé afin d’en assurer l’homogénéité et il doit en outre être porté à la bonne température afin d’obtenir un revêtement de composition appropriée. Les figures 1a et 1 b illustrent respectivement un four 1 puits et un four 1 cellulaire pour la consolidation et la densification de pièce en matériau CMC. Chaque four comprend un module de traitement 2 dans lequel les opérations de consolidation et densification de la(des) pièce(s) P sont mises en oeuvre, un module d’appauvrissement 5 servant à capter la partie résiduelle du mélange de gaz et des sous-produits de réaction, ainsi qu’un module de préchauffage 10’ servant à amener progressivement le mélange de gaz à la température souhaitée dans le module de traitement 2. À cet égard, chaque four 1 comprend, selon le cas, un ou plusieurs injecteurs 4 acheminant les réactifs à utiliser. Les réactifs peuvent ainsi, par le biais d’une entrée située au niveau d’une bordure inférieure 17’ du module de préchauffage 10’, être libérés dans le four 1. Tel qu’illustré sur la figure 1 a, le four puits, dont la capacité est plus grande que le four cellulaire, peut avantageusement comporter plusieurs creusets 4.
Le module de préchauffage 10’, le module de traitement 2 et le module d’appauvrissement sont empilés dans cet ordre depuis une bordure inférieure du four jusqu’à une bordure supérieure du four. Autrement dit, le module de préchauffage 10’ est localisé en amont du module de traitement 2 et le module de traitement 2 est lui-même situé en amont du module d’appauvrissement 5 selon un axe X d’empilement du module de préchauffage 10’, du module de traitement 2 et du module d’appauvrissement 5. Cet axe X d’empilement définit également la direction principale d’écoulement du mélange de gaz. À ce propos, le module de traitement 2 comprend une cavité 3 pour accueillir la(es) pièce(s) P. Comme illustré sur les figures 1 a et 1 b, le four puits se distingue du four cellulaire en ce qu’il comprend une cavité 3 comportant généralement plusieurs étages superposés selon l’axe X d’empilement. Dans l’exemple illustré sur la figure 1 a, la cavité 3 comprend deux étages. La cavité du four cellulaire illustré à la figure 1 b ne comprend qu’un seul étage, mais celle-ci peut comprendre plusieurs étages.
La figure 2a illustre plus précisément un module de préchauffage 10’ connu de l’art antérieur. Ce module de préchauffage 10’ peut être indifféremment utilisé dans un four puits ou un four cellulaire. Le module de préchauffage 10’ selon l’art antérieur comprend une chambre de dispersion 1 T du mélange de gaz et une chambre de diffusion 12’ de ce mélange de gaz comme ceci est mieux visible à la figure 2a. La chambre de diffusion 12’ est séparée de la chambre de dispersion 1 T par une cavité 30’ de transfert de la chaleur comportant une pluralité de parois horizontales espacées les unes des autres verticalement. La chambre de dispersion 1 T comprend, au niveau de la bordure inférieure 17’ du module de préchauffage, une entrée 25’ ainsi qu’une ou plusieurs parois horizontales 22’, espacées les unes des autres le long de l’axe X d’empilement, qui comportent une pluralité d’ouvertures permettant de disperser le mélange de gaz. Si l’homogénéité du mélange de gaz doit être améliorée, il faut augmenter le nombre de parois horizontales 22’. La chambre de diffusion 12’, incluant la cavité 30’ de transfert de la chaleur, comprend également une pluralité de parois ayant des ouvertures permettant de diffuser le mélange de gaz.
Ainsi, lorsque le mélange de gaz circule au sein du module de préchauffage 10’, y compris au sein de la chambre de dispersion 11 ’, il se déplace principalement verticalement, c’est-à-dire depuis la bordure inférieure 17’ du module de préchauffage vers une bordure supérieure 18’ du module de préchauffage, en empruntant les passages créés par les ouvertures. Ces déplacements du mélange de gaz à travers les ouvertures produisent ce qu’on appelle un « chicanage » du mélange de gaz, ce qui permet d’offrir à ce mélange de gaz une surface chaude lui permettant d’atteindre progressivement la température souhaitée, à savoir la température à laquelle on souhaite effectuer la consolidation et la densification du matériau CMC, par échanges de chaleur avec les surfaces des parois. Ces échanges sont efficaces lorsque le mélange de gaz diffuse de façon transverse par rapport au flux convectif, ce qui est favorisé lorsque le mélange de gaz se déplace à faible vitesse et faible débit. L’écoulement est généralement de type laminaire.
Ceci étant dit, dans de tels fours, le module de préchauffage 10’ occupe un volume relativement important. Typiquement, le volume du module de préchauffage représente environ 20% du volume de l’empilement. Ceci s’explique par les dimensions respectives de la chambre de dispersion 1 T et de la chambre de diffusion 12’ dans la direction de l’empilement. En effet, la chambre de diffusion 12’, incluant la cavité 30’ de transfert de la chaleur, comprend également une pluralité de parois ayant des ouvertures permettant de diffuser le mélange de gaz. La chambre de diffusion 12’ peut donc présenter une dimension jusqu’à trois fois supérieure à celle de la chambre de dispersion 1 T dans l’axe d’empilement. Dans les fours puits, ceci est acceptable dans la mesure où les pièces peuvent être chargées sur les différents étages. Toutefois, les industriels sont contraints d’adapter les fours et notamment de réduire leurs dimensions, notamment selon l’axe d’empilement, afin de permettre une intégration plus aisée de ces fours dans des lignes de fabrication préexistantes. C’est dans ce contexte que les fours cellulaires, précédemment mentionnés, ont été développés.
L’invention vise à surmonter au moins une partie des problèmes précités et propose un module de préchauffage pour un four pour la consolidation et la densification de pièces en matériau CMC présentant des dimensions réduites dans la direction principale de déplacement du mélange de gaz et permettant un mélange de gaz amélioré malgré les dimensions réduites.
Les documents US 2017/002466 A1 , US 6 572 371 B1 , US 5 480 678 A, US 2007/275339 A1 et CN 109 400 198 A divulguent des modules de préchauffage pour un four. Toutefois, aucun de ces documents ne s’intéresse aux problèmes précités, notamment de l’amélioration du mélange des gaz dans le module de préchauffage malgré ses dimensions réduites.
Résumé de l’invention
L’invention propose à cet effet un module de préchauffage pour un four, le module de préchauffage comprenant une chambre de dispersion et une chambre de diffusion disposée au-dessus de la chambre de dispersion et formant avec la chambre de dispersion un empilement le long d’un axe d’empilement, le module de préchauffage étant destiné à être traversé par un mélange de gaz se déplaçant selon ledit axe d’empilement depuis une bordure inférieure du module de préchauffage vers une bordure supérieure du module de préchauffage, la chambre de dispersion comprenant une unité d’éclatement du mélange de gaz comprenant une entrée située au niveau de la bordure inférieure et une pluralité de parois intérieures formant un chemin d’écoulement du mélange de gaz, et la chambre de diffusion du mélange de gaz étant située en aval de la chambre de dispersion dans le sens de circulation du mélange de gaz, et comportant une paroi de transfert de la chaleur séparant cette chambre de diffusion de la chambre de dispersion, le chemin d’écoulement du mélange de gaz s’étendant principalement selon des directions d’axes longitudinal et transversal orthogonaux à l’axe d’empilement, et la dimension de la chambre de diffusion le long de l’axe d’empilement ne différant pas de plus de 20% par rapport à la dimension de la chambre de dispersion le long de cet axe d’empilement.
Le module de préchauffage est caractérisé en ce que chaque paroi intérieure comprend une pluralité d’ailettes s’étendant depuis au moins une surface de cette paroi intérieure, chaque ailette faisant un angle ouvert avec la paroi intérieure associée dans les directions principales d’écoulement du mélange de gaz au sein de l’unité d’éclatement.
Ainsi, contrairement aux modules de préchauffage connus, le module de préchauffage selon l’invention présente une dimension significativement réduite selon l’axe d’empilement. En effet, lorsque le mélange de gaz pénètre dans l’unité d’éclatement et circule dans le chemin d’écoulement, il peut s’écouler principalement selon les directions d’axe longitudinal et d’axe transversal et donc orthogonalement à la direction principale de déplacement. Autrement dit, les composantes principales du déplacement du mélange de gaz sont les composantes de déplacement selon l’axe longitudinal et l’axe transversal. La dispersion du mélange de gaz s’effectue donc principalement orthogonalement à l’axe d’empilement au lieu de s’effectuer selon cet axe d’empilement. Cela permet de réduire significativement les dimensions de la chambre de dispersion le long de l’axe d’empilement. En outre, en plus de pouvoir réduire les dimensions de la chambre de dispersion, il est également possible de réduire les dimensions de la chambre de diffusion. En effet, comme la chambre de dispersion comprend une pluralité de parois intérieures, de nombreux échanges de chaleur s’y produisent, ce qui permet d’accroître le potentiel d’échanges thermiques du mélange de gaz dans la chambre de dispersion en comparaison des fours de l’art antérieur. Incidemment, il est possible de réduire la surface nécessaire aux échanges thermiques dans l’axe d’empilement, ce qui permet de réduire la cavité de transfert à une simple paroi de transfert de la chaleur. En effet, comme précédemment mentionné, les modules de préchauffage de l’art antérieur comprennent une cavité servant à offrir de la surface de contact pour les échanges de chaleur qui sépare la chambre de dispersion et la chambre de diffusion. Or, cette cavité comprend une pluralité de parois horizontales espacées les unes des autres, ce qui augmente la dimension du module de préchauffage dans l’axe d’empilement. Ainsi, la chambre de diffusion peut présenter, le long de l’axe d’empilement, des dimensions comparables à celles de la chambre de dispersion.
Les ailettes permettent d’améliorer encore plus le mélange des gaz injectés dans l’unité d’éclatement. Chacune d’elles fait un angle ouvert avec la paroi intérieure associée dans les directions principales d’écoulement, ce qui permet au mélange de gaz de conserver une vitesse d’écoulement appropriée au sein de l’unité d’éclatement tout en améliorant le processus de mélange.
Selon différentes caractéristiques de l’invention qui pourront être prises ensemble ou séparément : un rapport entre une longueur du chemin d’écoulement et une dimension du module de préchauffage, le long de l’axe longitudinal et/ou de l’axe transversal est compris entre 4 et 150 ; les parois intérieures sont séparées les unes par rapport aux autres par une distance comprise entre 20 mm et 100 mm ; l’unité d’éclatement comprend au moins un étage délimité, le long de l’axe d’empilement, par une première paroi périphérique et une deuxième paroi périphérique, les parois intérieures s’étendant entre la première paroi périphérique et la deuxième paroi périphérique orthogonalement auxdites première et deuxième parois périphériques ; le module de préchauffage comprend au moins une paroi latérale s’étendant autour de l’axe d’empilement, ladite paroi latérale comprenant au moins deux portions diamétralement opposées, et dans lequel une première série de parois intérieures s’étend depuis une première portion de la paroi latérale et une deuxième série de parois intérieures s’étend depuis une deuxième portion de la paroi latérale, les parois intérieures de la première série et les parois intérieures de la deuxième série étant agencées parallèlement les unes par rapport aux autres en alternance une à une ; les parois intérieures comprennent deux parois distales d’un centre de la première paroi périphérique, les parois distales comportant une pluralité d’ouvertures ; les parois intérieures sont agencées en forme de spirale ; une troisième série de parois intérieures s’étend depuis la première paroi périphérique et une quatrième série de parois intérieures s’étend depuis la deuxième paroi périphérique, les parois intérieures de la troisième série et les parois intérieures de la quatrième série étant agencées parallèlement les unes par rapport aux autres en alternance une à une ; la paroi de transfert comprend une pluralité de premières ouvertures occupant 20% à 35%, non inclus, d’une surface totale de la paroi de transfert ; la chambre de diffusion comprend une pluralité de parois de diffusion, chaque paroi de diffusion comportant des secondes ouvertures occupant 35% à 50% d’une surface totale des parois de diffusion, de préférence entre 40% et 60% d’une surface totale des parois de diffusion.
L’invention concerne également un four pour la consolidation et la densification d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, le four comprenant un module de traitement comportant une cavité pour accueillir cette pièce, et un module de préchauffage tel que précédemment décrit, le module de préchauffage étant situé sous le module de traitement et formant avec le module de traitement un second empilement selon l’axe d’empilement.
L’invention concerne en outre un procédé de consolidation et de densification d’une pièce composite à matrice céramique mis en oeuvre au moyen d’un four tel que précédemment décrit, le procédé comprenant les étapes suivantes dans cet ordre :
110) fournir un four tel que précédemment décrit,
120) attendre que la température dans l’unité d’éclatement atteigne une valeur comprise entre -100°C et -200°C par rapport à une température souhaitée dans le module de traitement et la température dans la chambre de diffusion à une valeur comprise entre -30°C et -5°C par rapport à la température souhaitée dans le module de traitement,
130) concomitamment ou subséquemment à l’étape 120), injecter le mélange de gaz dans le four et attendre jusqu’à ce qu’il atteigne la température souhaitée.
Brève description des figures
D’autres objets, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement dans la description qui suit, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 a est une vue schématique en coupe d’un four puits,
- la figure 1 b est une vue schématique en coupe d’un four cellulaire,
- la figure 2a est une vue schématique en coupe d’un module de préchauffage connu de l’art antérieur,
- la figure 2b est une vue schématique en coupe d’un module de préchauffage selon un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 2c est une vue schématique en coupe d’un module de préchauffage selon l’invention,
- la figure 3 est une vue schématique de dessus d’un premier exemple d’unité d’éclatement pour un module de préchauffage selon un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 4 est une vue schématique de dessus d’un deuxième exemple d’unité d’éclatement pour un module de préchauffage selon l’invention,
- la figure 5 est une vue schématique de dessus d’un troisième exemple d’unité d’éclatement pour un module de préchauffage selon l’invention,
- la figure 6 est une vue schématique en coupe d’un quatrième exemple d’unité d’éclatement pour un module de préchauffage selon l’invention,
- la figure 7 est une vue schématique d’un procédé de consolidation et de densification d’une pièce en matériau CMC selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
Dans la présente description, les termes « supérieur(e)(s) », « inférieur(e)(s) » n’ont pas de caractère limitatif et servent simplement à mieux comprendre l’invention en référence aux figures illustrées. L’utilisation du terme « inférieur » indique simplement que l’élément considéré est plus proche d’une bordure inférieure, par exemple du four, en comparaison d’un élément auquel est associé le terme « supérieur ». Par exemple, « une bordure inférieure du module de préchauffage » désigne une partie du module de préchauffage plus proche de la bordure inférieure du four selon l’invention.
Lorsqu’il est indiqué qu’un premier élément est en « amont » d’un deuxième élément cela signifie que le premier élément est situé avant le deuxième élément par rapport au sens de circulation, ou de parcours, du mélange de gaz. De même, lorsque le terme « aval » est utilisé pour décrire le positionnement d’un élément par rapport à un autre élément, cela signifie que le premier des éléments considérés est situé après l’autre des éléments par rapport au sens de circulation, ou de parcours, du mélange de gaz.
En référence aux figures 1a, 1 b et 2b, l’invention concerne un four 1 pour la consolidation et la densification d’une pièce P en matériau composite à matrice céramique. Les fours illustrés aux figures 1 a et 1 b et décrits au préambule de cette description sont, respectivement, un four puits et un four cellulaire. Un module de préchauffage 10, également objet de la présente invention, qui sera décrit dans la suite est aussi bien adapté à un four puits, tel que celui de la figure 1 a, qu’à un four cellulaire, tel qu’illustré à la figure 1 b. Le module de préchauffage 10 est également adapté à d’autres types de fours qui ne sont pas mentionnés dans la présente description et qui sont utilisés pour la consolidation et la densification de pièces en matériau CMC. De préférence, le four est apte à être mis sous vide.
Avant de détailler plus précisément ce module de préchauffage 10 et comme mentionné précédemment, le four 1 comprend un module de traitement 2 dans lequel les opérations de consolidation et densification de la(des) pièce(s) P sont mises en oeuvre, un module d’appauvrissement 5 servant à capter la partie résiduelle du mélange de gaz et des sous-produits de réaction, ainsi que le module de préchauffage 10, ce dernier servant à amener progressivement le mélange de gaz à la température souhaitée dans le module de traitement 2.
Le module de préchauffage 10, le module de traitement 2 et le module d’appauvrissement 5 sont empilés dans cet ordre depuis une bordure inférieure du four 1 jusqu’à une bordure supérieure de ce four 1 . Autrement dit, le module de préchauffage 10 est situé sous le module de traitement 2, ce dernier étant lui-même situé sous le module d’appauvrissement 5 depuis la bordure inférieure du four 1. Plus précisément, le mélange de gaz circule depuis une bordure inférieure 17 du module de préchauffage jusqu’à une bordure supérieure 18 de ce module de préchauffage en traversant les différentes zones du module de préchauffage 10.
Le mélange de gaz est composé de plusieurs gaz réactifs. La réactivité des gaz peut venir de plusieurs facteurs connus de l’homme du métier. Elle peut, par exemple, être renforcée par les températures auxquelles sont chauffés ces gaz au sein du module de préchauffage 10. Dans le cadre de la présente invention, le mélange de gaz n’est pas limité à un type de précurseur particulier. Il convient simplement de choisir un mélange de gaz approprié pour l’application visée. À ce propos, selon une application de l’invention, la pièce P est en matériau composite à matrice céramique à base de carbure. Par exemple, la pièce P peut être en carbure de silicium (SiC), en nitrure de bore (BN), en carbone, ou encore en SiBN. Dans tous les cas, il convient d’utiliser des gaz réactifs appropriés pour la consolidation et la densification de la pièce dans le matériau dont est fait cette pièce.
Le module de préchauffage 10 selon l’invention comprend une chambre de dispersion 11 et une chambre de diffusion 12 disposée au-dessus de la chambre de dispersion 11 et formant avec la chambre de dispersion 11 un empilement selon un axe X d’empilement. Cet axe X d’empilement définit également la direction principale d’écoulement du mélange de gaz dans le four 1 et l’axe d’empilement du module de préchauffage, du module de traitement 2 et du module d’appauvrissement 5. La chambre de diffusion 12 est située en aval de la chambre de dispersion 11 dans le sens de circulation du mélange de gaz. La chambre de diffusion 12 comprend une paroi 30 de transfert de la chaleur qui la sépare de la chambre de dispersion 11 . Nous y reviendrons plus en détail dans la suite.
La chambre de dispersion 11 a pour rôle de disperser les gaz afin de permettre un premier mélange de ces gaz. Les gaz ne pénètrent donc pas nécessairement sous forme de mélange de gaz dans la chambre de dispersion 11 et peuvent n’être mélangés qu’à l’intérieur de cette chambre de dispersion 11. La chambre de dispersion 11 a également pour fonction d’homogénéiser le mélange gaz. Cela améliore le chauffage du mélange de gaz, c’est-à-dire que la mise en température dudit mélange de gaz est facilitée. En sortant de la chambre de dispersion 11 , les gaz sont donc non seulement sous forme de mélange mais encore sous forme d’un mélange homogène. À cet égard, la chambre de dispersion 11 comprend une unité 20 d’éclatement du mélange de gaz permettant de mélanger et homogénéiser les gaz.
L’unité 20 d’éclatement est munie d’une entrée 25 située au niveau de la bordure inférieure 17 du module de préchauffage. C’est par l’entrée 25 que les gaz ou le mélange de gaz, selon le cas, pénètre(nt) dans le four 1 selon l’invention. Comme mentionné précédemment, le four 1 comprend un ou plusieurs injecteurs 4 contenant les réactifs nécessaires au procédé de consolidation et de densification de la pièce. Les réactifs sont généralement apportés dans le four sous une forme gazeuse à température ambiante. Les réactifs sont plus précisément injectés dans l’unité 20 d’éclatement par le biais de l’entrée 25 afin d’y être mélangés de manière homogène.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 2b, l’entrée 25 consiste en une unique ouverture formée dans la bordure inférieure 17 du module de préchauffage. Toutefois, l’entrée 25 peut être formée d’une pluralité d’ouvertures. Le nombre, la forme et les dimensions des ouvertures ne sont pas limitatifs dans le cadre de l’invention. Ceci étant dit, comme nous le verrons par la suite, il est préférable que les dimensions de l’ouverture ou des ouvertures formant l’entrée 25 soient choisies de sorte à permettre que les réactifs pénètrent dans l’unité 20 d’éclatement avec une vitesse comprise entre 0,1 m/s (mètre par seconde) et 10 m/s, de préférence entre 0,1 m/s et 2 m/s. Ceci confère en effet au mélange de gaz une cinétique de déplacement appropriée au sein de l’unité 20 d’éclatement.
L’unité 20 d’éclatement comprend une pluralité de parois intérieures 22 qui forment un chemin 21 d’écoulement du mélange de gaz. Le chemin 21 d’écoulement est un passage formé dans l’unité 20 d’écoulement qui permet de guider le mélange de gaz depuis l’entrée 25 de l’unité d’éclatement jusqu’à une sortie 26 de cette unité d’éclatement. Le chemin 21 balise donc le trajet du mélange de gaz lorsqu’il circule au sein de l’unité 20 d’éclatement. Au-delà de ces considérations, le chemin 21 est configuré pour disperser le mélange de gaz lorsqu’il circule au sein de l’unité 20 d’éclatement, ce que nous évoquerons plus en détail par la suite.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 2b, l’unité 20 d’éclatement comprend un étage 20a délimité, le long de l’axe X d’empilement, par une première paroi périphérique 23 et une deuxième paroi périphérique 24 entre lesquelles s’étendent les parois intérieures 22. Ceci étant dit, l’unité 20 d’éclatement peut comporter une pluralité d’étages 20a, 20b, ...tel que cela est illustré sur la figure 2c, les étages étant situés les uns à la suite des autres selon l’axe X d’empilement. Dans cette configuration, l’unité 20 d’éclatement comprend des parois intermédiaires 23i entre chaque étage 20a, 20b,... qui forment la limite physique entre chaque étage.
De préférence, les parois intermédiaires 23i présentent les mêmes dimensions longitudinale et transversale que les première 23 et deuxième 24 parois périphériques. De préférence également, la configuration, à savoir l’agencement des parois intérieures 22, est identique d’un étage à l’autre. Ceci permet notamment de simplifier le procédé de fabrication du module de préchauffage 10. Toutefois, cela n’est pas obligatoire. En outre, il est préférable que le nombre d’étages dans l’unité 20 d’éclatement n’excède pas deux, ce qui permet d’avoir un bon compromis entre l’obtention d’un mélange de gaz suffisant et homogène d’une part et une hauteur du module de préchauffage 10, la hauteur du module de préchauffage 10 étant sa dimension selon l’axe X d’empilement. Il est préférable, de conserver une hauteur d’au moins 20 mm pour chaque étage afin de permettre un écoulement suffisant du mélange de gaz dans le chemin 21 tout en favorisant les échanges thermiques.
Dans l’exemple de réalisation illustré, les parois intérieures 22 distales sont continues, c’est-à-dire qu’elles ne comprennent pas d’ouvertures. Le mélange de gaz passe d’un étage à l’autre au moyen d’ouvertures 22f situées à proximité des extrémités des parois intermédiaires 23i. Le mélange de gaz parcourt donc la quasi-totalité de l’étage amont, i.e. l’étage inférieur, avant d’atteindre l’étage aval, étage supérieur. En outre, il ne peut sortir de l’étage supérieur que par une ouverture distale 24a des ouvertures 22f de l’étage inférieur. Dans l’exemple de réalisation illustré, l’ouverture distale 24a est pratiquée au centre de la deuxième paroi périphérique 24, ce qui permet au mélange de parcourir de nouveau le chemin 21 de l’étage supérieur avant de sortir de l’unité 20 d’éclatement.
Comme illustré sur la figure 2b, il est avantageux de laisser un passage entre l’étage 20a et la paroi 30 de transfert afin que le mélange de gaz puisse atteindre la chambre de diffusion 12 depuis l’unité 20 d’éclatement. Lorsque l’unité 20 d’éclatement comporte plusieurs étages 20a, 20b...il convient de laisser un écart suffisant entre le dernier étage et la paroi 30 de transfert le long de l’axe X d’empilement, le dernier étage étant l’étage aval de l’unité 20 d’éclatement dans le sens de circulation du gaz. De préférence, l’écart entre le dernier étage de l’unité 20 d’éclatement et la paroi 30 de transfert le long de l’axe X d’empilement est supérieur ou égal à 20 mm.
Selon l’invention, le chemin 21 d’écoulement du mélange de gaz s’étend principalement selon des directions d’axes longitudinal Y et transversal Z, l’axe longitudinal Y et l’axe transversal Z étant orthogonaux à l’axe X d’empilement. Ceci peut être mieux vu sur les figures 3 à 5 illustrant une vue de dessus en coupe de l’intérieur de l’unité 20 d’éclatement selon des variantes de réalisation du module de préchauffage 10 selon l’invention. Dans ces différentes variantes de réalisation qui seront décrites plus en détail dans la suite, les parois intérieures 22 sont agencées de sorte que le chemin 21 d’écoulement du mélange de gaz s’étende principalement orthogonalement à l’axe X d’empilement.
Ainsi, le mélange de gaz, contraint de suivre le chemin 21 , s’écoule principalement selon des directions orthogonales à l’axe X d’empilement. Autrement dit, les composantes principales du déplacement tridimensionnel du mélange de gaz sont définies selon l’axe longitudinal Y et l’axe transversal Z. Dans ces conditions, on sollicite donc essentiellement le volume « horizontal » de l’unité 20 d’éclatement pour effectuer le mélange et l’homogénéisation du mélange de gaz au lieu de son volume « vertical ». Plutôt que d’augmenter le nombre de parois le long de l’axe X d’empilement pour améliorer la dispersion et l’homogénéisation des gaz, il est possible d’augmenter le nombre de parois intérieures 22 le long de l’axe longitudinal Y ou de l’axe transversale Z. De meilleurs résultats peuvent également être obtenus en termes de mélange et d’homogénéisation du mélange de gaz en comparaison de l’art antérieur car le chemin 21 à parcourir peut être significativement allongé, ceci sans nuire aux dimensions du module de préchauffage 10, et subséquemment du four 1 dans l’axe X d’empilement. Comme les gaz sont mieux mélangés et en outre de manière plus homogène, le mélange de gaz est en mesure de chauffer plus rapidement que dans les fours de l’art antérieur.
Toujours selon l’invention, la dimension de la chambre de diffusion 12 le long de l’axe X d’empilement ne diffère pas de plus de 20% par rapport à la dimension de la chambre de dispersion 11 le long de cet axe d’empilement. En effet, la dimension de la chambre de diffusion 12 le long de l’axe X d’empilement peut être significativement réduite dans la mesure où, comme indiqué précédemment, le mélange de gaz peut être chauffé plus rapidement. Ceci a pour conséquence directe de permettre une réduction de la surface utile, c’est-à-dire de l’aire utile, au chauffage du mélange de gaz. La chambre de diffusion 12 peut donc présenter beaucoup moins de parois que ce soit au niveau de la zone de transfert (paroi 30 de transfert) de la chaleur que dans la zone de diffusion (parois de diffusion 35). Dans l’invention, la zone de transfert de la chaleur peut donc être réduite à une paroi 30 de transfert au lieu d’avoir une cavité 30’ de transfert de la chaleur comprenant une pluralité de parois de transfert. La dimension de la chambre de diffusion 12 peut donc être divisée par trois en comparaison de la dimension des chambres de diffusion 12’ connues de l’art antérieur.
De manière très avantageuse, un rapport entre une longueur du chemin 21 d’écoulement et une dimension du module de préchauffage, le long de l’axe longitudinal Y et/ou de l’axe transversal Z est compris entre 4 et 150. On entend par « longueur du chemin 21 » la distance sur laquelle s’étend le chemin 21 d’écoulement en tenant compte des tortuosités effectuées par celui-ci. On entend par « tortuosités » les différents changements de direction effectués par le chemin 21 d’écoulement en l’absence de discontinuité, c’est-à- dire de rupture dans ledit chemin 21. La longueur du chemin 21 d’écoulement appropriée dépend des dimensions du module de préchauffage 10, si bien qu’il convient d’adapter la longueur du chemin 21 selon les dimensions du module de préchauffage.
Dans cette gamme de valeurs, le mélange de gaz est contraint d’opérer au moins un changement de direction en se déplaçant à l’intérieur de l’unité 20 d’éclatement. En pratique, dans cette gamme de valeurs, le mélange de gaz subit plusieurs changements de direction en circulant au sein de l’unité 20 d’éclatement, ce qui augmente le temps de séjour du mélange de gaz dans l’unité 20 d’éclatement et favorise donc encore plus les mélanges de gaz. En outre, plus le temps de séjour du mélange de gaz dans l’unité 20 d’éclatement est long plus le mélange de gaz obtenu est homogène. Par exemple, si le nombre et la nature des réactifs le justifient, il convient de choisir un chemin 21 de longueur élevée en tenant compte des dimensions globales du module de préchauffage 10. L’homme du métier adaptera donc la longueur du chemin 21 selon ces paramètres.
L’homogénéisation du mélange de gaz peut être poursuivie à la sortie de l’unité 20 d’éclatement. À cet égard, des parois intérieures 22 distales de l’entrée 25 peuvent comporter une pluralité d’ouvertures 22e. Les ouvertures 22e permettent en effet de gérer les pertes de charge en sortie de l’unité 20 d’éclatement. Sur la figure 2b qui ne présente une vue en coupe, on distingue une de ces ouvertures 22e. Les parois intérieures 22 distales sont les parois intérieures 22 les plus éloignées de l’entrée 25 par laquelle le mélange de gaz pénètre dans l’unité 20 d’éclatement. Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 2b, ces parois intérieures 22 distales sont les parois intérieures 22 externes par rapport à la position centrale de l’entrée 25. Toutefois, l’entrée 25 n’occupe pas nécessairement une position centrale dans le module de préchauffage 10 et, de même, les parois intérieures 22 distales ne sont pas nécessairement les parois intérieures 22 externes. Comme ceci est mieux visible sur la figure 2b, les parois intérieures 22 s’étendent entre la première 23 paroi périphérique et la deuxième 24 paroi périphérique orthogonalement auxdites première 23 et deuxième 24 parois périphériques. Les parois intérieures 22 de l’unité
20 d’éclatement s’étendent donc en l’espèce verticalement - au contraire des parois horizontales 22’ de la chambre de dispersion 11 ’ connue de l’art antérieur - sur toute la hauteur de l’étage 20a de l’unité d’éclatement. Précisons que la hauteur de l’étage 20a correspond à la distance séparant la première paroi périphérique 23 et la deuxième paroi périphérique 24.
Lorsqu’il y a plusieurs étages 20a, 20b,... comme illustré sur la figure 2c, il importe alors qu’à chaque étage les parois intérieures 22 s’étendent entre les parois délimitant cet étage. Cela peut être, selon le cas, entre la première paroi périphérique 23 et une des parois intermédiaires 23i ou entre deux parois intermédiaires 23i ou entre une des parois intermédiaires 23i et la deuxième paroi périphérique 24. En outre, comme cela peut être bien compris, il s’agit ici des parois intérieures 22 à l’exception des parois intérieures 22 distales de l’entrée lorsque ces dernières sont perforées, c’est-à-dire comprennent une pluralité d’ouvertures 22e, puisque par nature ces parois intérieures 22 distales ne s’étendent pas sur toute la hauteur de l’étage 20a ou de chaque étage.
Le fait, comme décrit ci-dessus, que les parois intérieures 22 s’étendent sur toute la hauteur de l’unité 20 d’éclatement permet de favoriser un écoulement laminaire dans lequel les contraintes de cisaillement sont imposées par les tortuosités du chemin 21. Ainsi le mélange et l’homogénéisation du mélange de gaz sont ajustables par la longueur du chemin
21 et le trajet imposé au mélange de gaz par le chemin 21 et peu, voire pas, dépendants des propriétés à la surface des parois intérieures 22 elles-mêmes. Autrement dit, la continuité des parois intérieures 22 sur la hauteur de l’étage 20a permet que le contrôle de la dynamique d’écoulement du mélange de gaz dans l’unité 20 d’éclatement puisse être assuré par les tortuosités du chemin 21. De même, la rugosité et les textures des surfaces de ces parois intérieures 22 pourraient également jouer un rôle sur cette dynamique d’écoulement. Dans le cas d’espèce, la dynamique d’écoulement est peu dépendante de la rugosité ou de la texture des surfaces car les phénomènes se produisant au niveau macroscopique, compte-tenu des tortuosités du chemin 21 , sont prépondérants.
À ce propos, selon un aspect de l’invention, chacune des parois intérieures comprend une pluralité d’ailettes 27 s’étendant depuis au moins une surface de cette paroi intérieure. De telles ailettes sont par exemple visibles sur la figure 4. Elles permettent d’améliorer encore plus le mélange des gaz injectés dans l’unité 20 d’éclatement. Les ailettes 27 se présentent sous la forme de saillies s’étendant de manière oblique depuis les surfaces des parois intérieures 22. Plus précisément, chaque ailette 27 fait un angle ouvert avec la paroi 22 intérieure à laquelle elle est associée dans les directions principales d’écoulement du mélange de gaz au sein de l’unité 20 d’éclatement.
Chacune d’elles fait un angle ouvert avec la paroi intérieure associée dans les directions principales d’écoulement, ce qui permet au mélange de gaz de conserver une vitesse d’écoulement appropriée au sein de l’unité d’éclatement tout en améliorant le processus de mélange. En effet, une vitesse d’écoulement trop faible augmenterait la durée de préchauffage, ce qui impacterait la durée du procédé de densification et consolidation mis en oeuvre avec le four 1. Une vitesse d’écoulement trop élevée ne permettrait pas d’obtenir suffisamment d’échange, ce qui ne permettrait donc pas d’atteindre la température souhaitée en sortie du module de préchauffage 10. La présence des ailettes 27 et leur positionnement respectif vis-à-vis de la paroi intérieure, i.e. avec un angle ouvert dans les directions principale d’écoulement, permet donc de trouver un compromis entre vitesse d’écoulement du mélange et amélioration du mélange des gaz. À ce propos, précisons à ce stade que le mélange des gaz est amélioré en ce que le processus de mélange débouche sur une meilleure homogénéisation des gaz du mélange.
Comme illustré sur la figure 4, les ailettes 27 peuvent s’étendre au choix depuis les deux surfaces d’une paroi intérieure 22 comme ne s’étendre que depuis l’une des surfaces d’une paroi intérieure 22. Ce choix est effectué ab initio, c’est-à-dire au moment de la conception du module de préchauffage 10 selon l’invention, en fonction des contraintes dimensionnelles, notamment selon l’axe longitudinal Y et/ou selon l’axe transversal X, pour la fabrication dudit module de préchauffage.
Il convient de préciser que lorsque l’on parle des surfaces des parois intérieures 22, comme c’est le cas ci-dessus, il est question des deux grandes surfaces des parois intérieures 22. Ces surfaces sont « grandes » par opposition aux quatre surfaces latérales des parois intérieures 22, ces surfaces latérales présentant chacune au moins une dimension plus pette que les autres qui correspond notamment à l’épaisseur de la paroi intérieure 22 associée. Les grandes surfaces sont directement balayées par le mélange de gaz contrairement aux quatre surfaces latérales.
De préférence, les parois intérieures 22 sont séparées les unes par rapport aux autres par une distance ou un écart compris entre 20 mm et 100 mm, ce qui permet d’assurer des surfaces d’échanges thermiques entre le mélange de gaz et les surfaces solides des parois intérieures 22. Ces distances peuvent varier selon les dimensions générales du module de préchauffage. Un écart trop faible peut mener à une obturation prématurée du chemin 21 et des phénomènes de pertes de charge peuvent se produire. Dans une telle situation, il peut être difficile d’atteindre la pression appropriée dans le four 1. Un écart trop élevé rend les échanges de chaleur entre le mélange de gaz et les parois intérieures 22 moins efficaces. De préférence, les parois intérieures 22 sont séparées les unes par rapport aux autres par une distance comprise entre 40 mm et 60 mm, ce qui représente un bon compromis entre le risque d’obturation du chemin 21 et l’efficacité des échanges de chaleur.
Pour les mêmes raisons, la première paroi périphérique 23 et la deuxième paroi périphérique 24 sont préférentiellement séparées par une distance di comprise entre 20 mm et 100 mm, et plus préférentiellement entre 40 mm et 60 mm.
Dans les sections qui suivent, nous décrivons différentes variantes de réalisation de l’unité 20 d’éclatement. Ces variantes de réalisation ne sont que des exemples et l’invention n’est nullement limitée par les configurations illustrées.
À titre préliminaire, en ce qui concerne les modes de réalisation illustrés sur les figures 2b à 6, précisons que le module de préchauffage 10 comprend au moins une paroi latérale 13 s’étendant autour de l’axe principal X, cette paroi latérale 13 comprenant préférablement au moins deux portions 13a, 13b diamétralement opposées. Dans les modes de réalisation illustrés, la paroi latérale 13 présente une forme parallélépipédique en vue de coupe. T outefois ce n’est pas obligatoire et la paroi latérale 13 peut tout à fait présenter une section d’une autre forme, par exemple une section circulaire. Quelle que soit la forme retenue, et comme indiqué ci-avant, la paroi peut, de préférence, comprendre au moins une première portion 13a et une deuxième portion 13b diamétralement opposée à la première portion 13b.
Selon une première variante de réalisation illustrée à la figure 3, une première série de parois 22a intérieures s’étend depuis la première portion 13a de la paroi latérale et une deuxième série de parois 22b intérieures s’étend depuis une deuxième portion 13b de la paroi latérale, les parois 22a intérieures de la première série et les parois 22b intérieures de la deuxième série étant agencées parallèlement les unes par rapport aux autres en alternance une à une. Autrement dit, les parois 22a intérieures de la première série et les parois intérieures 22b de la deuxième série sont parallèles et agencées de sorte qu’une paroi intérieure de l’une des séries soit interposée entre deux parois intérieures successives de l’autre des séries, à l’exception bien-sûr des parois intérieures 22 distales. Dans l’exemple illustré, chaque série comprend au total quatre parois intérieures 22a, 22b respectivement. Cela forme un chemin 21 dans lequel des demi-boucles sensiblement en forme de II se succèdent. Cette configuration permet d’obtenir un chemin 21 qui est à la fois compact et qui favorise les échanges thermiques.
L’unité 20 d’éclatement illustrée à la figure 4 ne diffère substantiellement de celle illustrée à la figure 3 qu’en ce que les parois intérieures 22 comprennent des ailettes 27, ce qui comme vu précédemment, favorise encore plus les échanges thermiques. Comme également illustré sur les figures 3 et 4, l’entrée 25 occupe une position sensiblement centrale sur la première paroi périphérique 23, si bien que les parois intérieures 22a de la première série et les parois intérieures 22b de la deuxième série sont disposées de chaque côté de celle-ci. Dans cette configuration, il y a en pratique deux chemins 21 dans lesquels le mélange de gaz circule en effectuant les mêmes trajets mais selon des directions longitudinales et transversales opposées.
Selon une deuxième variante de réalisation illustrée à la figure 5, les parois intérieures 22 sont agencées en forme de spirale ou encore de labyrinthe. Cette configuration présente l’avantage d’offrir un chemin 21 de longueur plus élevée que la configuration vue en référence à la première variante de réalisation. En effet, il y a moins d’espace perdu autour de la zone centrale de la première paroi périphérique 23, qui dans ce mode de réalisation est occupé par la sortie 26 de l’unité 20 d’éclatement. Ainsi, le mélange de gaz parcourt un trajet plus long, ce qui permet de favoriser encore plus le mélange et l’homogénéisation des gaz entre l’entrée 25 et la sortie 26. À ce propos, dans ce mode de réalisation, l’entrée 25 est positionnée à une extrémité de l’unité 20 d’éclatement, tandis que comme indiqué ci-dessus la sortie 26 occupe une position centrale. Cela permet de faciliter la mise en oeuvre du profil labyrinthique du chemin 21.
Selon une troisième variante de réalisation illustrée à la figure 6, une troisième série de parois 22c intérieures s’étend depuis la première paroi périphérique 23 et une quatrième série de parois 22d intérieures s’étend depuis la deuxième paroi périphérique 24, les parois 22c intérieures de la première série et les parois 22d intérieures de la deuxième série étant agencées parallèlement les unes par rapport aux autres en alternance une à une. Cette configuration ne diffère de celle vue dans la première variante qu’en ce qu’au lieu de s’étendre depuis les première et deuxième portions 13a, 13b de la paroi latérale, les parois intérieures 22 s’étendent depuis les première 23 et deuxième 24 parois périphériques.
Ainsi, les parois 22c intérieures de la troisième série et les parois intérieures 22d de la quatrième série sont parallèles et agencées de sorte qu’une paroi intérieure de l’une des séries soient interposées entre deux parois intérieures successives de l’autre des séries, à l’exception bien-sûr des parois intérieures 22 distales. Dans l’exemple illustré, chaque série comprend au total huit parois intérieures 22a, 22b respectivement. Cela forme un chemin 21 dans lequel des demi-boucles sensiblement en forme de II se succèdent. Cette configuration permet d’obtenir un chemin 21 qui est à la fois compact et qui favorise les échanges thermiques.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le rapport entre la surface créée d’une part par les parois intérieures 22, les parois périphériques 23, 24 et, le cas échéant, les parois intermédiaires 23i et d’autre part par le volume de l’unité 20 d’éclatement est compris entre 3,1 et 3,3. Il convient de noter, à ce stade, que ce rapport est compris entre 3 et 4 dans les chambres de dispersion 11 ’ connues de l’art antérieur. Cela confère une très grande efficacité à l’unité 20 d’éclatement et plus généralement au four 1. En effet, le rapport entre surfaces d’échanges thermiques et volume global de la zone de préchauffage est abaissé. Dans un volume plus faible, on conserve un échange de chaleur au niveau approprié, voire à un niveau supérieur. Ce rapport pourra même être plus faible encore selon les modalités de conception.
Lorsque le mélange de gaz quitte l’unité 20 d’éclatement, les échanges de chaleur doivent avantageusement se poursuivre efficacement avec la paroi 30 de transfert. À cet égard, la paroi 30 de transfert comprend une pluralité de premières ouvertures 31 occupant 20% à 35%, non inclus, de sa surface totale. Ainsi, la paroi 30 de transfert permet au mélange de continuer son trajet jusqu’à la chambre de diffusion 12 tout en ayant une surface utile suffisante pour effectuer des échanges thermiques avec le mélange de gaz. Comme cela sera vu dans la suite, l’écart entre la température de la paroi 30 de transfert et la température souhaitée dans le module de traitement 2 est plus faible que l’écart entre la température dans l’unité 20 d’éclatement et la température souhaitée dans le module de traitement 2.
De manière avantageuse, la chambre de diffusion 12 peut à cet égard comprendre une pluralité de parois 35 de diffusion, chaque paroi 35 de diffusion comportant des secondes ouvertures 36 occupant 35% à 50% d’une surface totale des parois 35 de diffusion, de préférence entre 40% et 60% d’une surface totale des parois 35 de diffusion. Ainsi, lorsque le mélange de gaz arrive dans la chambre de diffusion 12, il peut être diffusé de manière homogène jusqu’au module de traitement 2.
L’invention concerne également un procédé 100 de consolidation et de densification d’une pièce P composite à matrice céramique mis en oeuvre au moyen d’un four tel que décrit précédemment. Avant de décrire le procédé plus en détail, dans la section qui suit, nous détaillons les gammes de températures auxquelles sont portées les différentes parties du module de préchauffage 10. Toutefois, il convient de noter que les températures vont dépendre des procédés mis en oeuvre et des types de four utilisés. La section qui suit ne présente donc qu’un guide pour obtenir la température souhaitée en sortie du module de préchauffage 10.
Préférentiellement, la chambre de dispersion 11 est la plus éloignée du module de traitement 2. Elle présente une température comprise entre -200°C et -30°C par rapport à la température souhaitée dans le module de traitement 2. Plus spécifiquement, l’unité 20 d’éclatement présente quant à elle une température comprise entre -200°C et -100°C par rapport à la température souhaitée dans le module de traitement 2. La paroi 30 de transfert peut avantageusement présenter une température de -30°C par rapport à la température souhaitée dans le module de traitement 2. De préférence, la chambre de diffusion 12 présente une température comprise entre -30°C (au niveau de sa paroi 30 de transfert) et -5°C (au niveau de la bordure supérieure 18 du module de préchauffage 10) par rapport à la température souhaitée dans le module de traitement 2. C’est ainsi que la zone au niveau de laquelle se situe l’objet dans le module de traitement 2 peut atteindre la température souhaitée. L’écart de 5°C par rapport à la bordure supérieure 18°C du module de préchauffage est directement comblé dans une partie basse du module de traitement.
En référence à la figure 7, le procédé 100 comprend une première étape 110) consistant à fournir un four 1 tel que précédemment décrit. De préférence, on place concomitamment la pièce P en matériau CMC dans le module de traitement 2 du four.
Le procédé 100 comprend une deuxième étape 120) comprenant deux sous-étapes 122) et 124). Lors de la première sous-étape 122), on attend que la température TUE dans l’unité 20 d’éclatement atteigne une valeur comprise entre -100°C et -200°C par rapport à une température TMC souhaitée dans le module de traitement 2. En effet, le module de préchauffage est alimenté en gaz froid, ces gaz étant, par la suite, amenés à se réchauffer dans le module de préchauffage 10. Lors de la deuxième sous-étape 124), on attend que la température TCD dans la chambre de diffusion 12 atteigne une valeur comprise entre -30°C et -5°C par rapport à la température TMC souhaitée dans le module de traitement 2. La première sous-étape 122) et la deuxième sous-étape 124) peuvent être réalisées concomitamment. Cette deuxième étape 120) peut avantageusement être mise en oeuvre au moyen d’un module de commande (non représenté) servant à piloter le four 1 selon l’invention. À cet égard, le module de commande peut être muni d’un processeur comportant les instructions pour la mise en oeuvre de la deuxième étape 120).
Le procédé 100 comprend une troisième étape 130) qui peut être réalisée concomitamment ou subséquemment à la deuxième étape 120). Lors de cette troisième étape 130, on injecte le mélange de gaz dans le four 1 et on attend jusqu’à ce qu’il atteigne la température TMC souhaitée. Cette température est atteinte au moyen du module de préchauffage 10 tel que précédemment décrit. Pour cela, le mélange de gaz passe successivement du module de préchauffage 10 au module de traitement 2. Au sein du module de préchauffage 10, le mélange de gaz traverse, dans cet ordre, l’unité 20 d’éclatement, la chambre de dispersion 11 (zone hors unité d’éclatement), la paroi 30 de transfert et la chambre de diffusion 12. Comme vu précédemment, le mélange de gaz réalise de nombreux échanges thermiques avec les surfaces des parois intérieures 22 de l’unité 20 d’éclatement puis avec la paroi 30 de transfert ce qui permet d’atteindre les températures souhaitées par un allongement du parcours de ce mélange de gaz. Bien entendu, si l’unité 20 d’éclatement comprend plusieurs étages 20a, 20b,... alors le mélange de gaz passe par chaque étage avant de sortir de l’unité 20 d’éclatement. De manière avantageuse, les dimensions de l’ouverture ou des ouvertures formant l’entrée 25 soient choisies de sorte à permettre que les réactifs pénètrent dans l’unité 20 d’éclatement avec une vitesse comprise entre 0,1 m/s et 10 m/s, de préférence entre 0,1 m/s et 2 m/s.
Ensuite, lors d’une quatrième étape 140), comme le mélange de gaz a atteint la température souhaitée dans le module de traitement 2, on procède à la consolidation de la pièce. La durée de cette étape dépend du procédé que l’on souhaite effectuer et des paramètres de pression et de température choisis. Lors d’une cinquième étape 150), on procède à la densification de la pièce. Comme pour l’étape 140) de consolidation, la durée de cette cinquième étape dépend du procédé que l’on souhaite effectuer et des paramètres de pression et de température choisis.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module de préchauffage (10) pour un four (1 ), le module de préchauffage (10) comprenant une chambre de dispersion (11 ) et une chambre de diffusion (12) disposée au-dessus de la chambre de dispersion (11 ) et formant avec la chambre de dispersion (11 ) un empilement le long d’un axe (X) d’empilement, le module de préchauffage (10) étant destiné à être traversé par un mélange de gaz se déplaçant selon ledit axe (X) d’empilement depuis une bordure inférieure (17) du module de préchauffage vers une bordure supérieure (18) du module de préchauffage, la chambre de dispersion (11) comprenant une unité (20) d’éclatement du mélange de gaz comprenant une entrée (25) située au niveau de la bordure inférieure (17) et une pluralité de parois (22) intérieures formant un chemin (21 ) d’écoulement du mélange de gaz, et la chambre de diffusion (12) du mélange de gaz étant située en aval de la chambre de dispersion (11) dans le sens de circulation du mélange de gaz, et comportant une paroi (30) de transfert de la chaleur séparant cette chambre de diffusion (12) de la chambre de dispersion (11 ), le chemin (21 ) d’écoulement du mélange de gaz s’étendant principalement selon des directions d’axes longitudinal (Y) et transversal (Z) orthogonaux à l’axe (X) d’empilement, et la dimension de la chambre de diffusion (12) le long de l’axe (X) d’empilement ne différant pas de plus de 20% par rapport à la dimension de la chambre de dispersion (11 ) le long de cet axe d’empilement, le module de préchauffage (10) étant caractérisé en ce que chaque paroi (22) intérieure comprend une pluralité d’ailettes (27) s’étendant depuis au moins une surface de cette paroi (22) intérieure, chaque ailette (27) faisant un angle ouvert avec la paroi (22) intérieure associée dans les directions principales d’écoulement du mélange de gaz au sein de l’unité (20) d’éclatement.
2. Module de préchauffage (10) selon la revendication 1 , dans lequel un rapport entre une longueur du chemin (21 ) d’écoulement et une dimension du module de préchauffage, le long de l’axe longitudinal (Y) et/ou de l’axe transversal (Z) est compris entre 4 et 150.
3. Module de préchauffage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les parois (22) intérieures sont séparées les unes par rapport aux autres par une distance comprise entre 20 mm et 100 mm.
4. Module de préchauffage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’unité (20) d’éclatement comprend au moins un étage (20a) délimité, le long de l’axe (X) d’empilement, par une première paroi périphérique (23) et une deuxième paroi périphérique (24), les parois (22) intérieures s’étendant entre la première (23) paroi périphérique et la deuxième (24) paroi périphérique orthogonalement auxdites première (23) et deuxième (24) parois périphériques.
5. Module de préchauffage (10) selon la revendication 4, dans lequel le module de préchauffage (10) comprend au moins une paroi latérale (13) s’étendant autour de l’axe (X) d’empilement, ladite paroi latérale (13) comprenant au moins deux portions (13a, 13b) diamétralement opposées, et dans lequel une première série de parois (22a) intérieures s’étend depuis une première portion (13a) de la paroi latérale et une deuxième série de parois (22b) intérieures s’étend depuis une deuxième portion (13b) de la paroi latérale, les parois (22a) intérieures de la première série et les parois (22b) intérieures de la deuxième série étant agencées parallèlement les unes par rapport aux autres en alternance une à une.
6. Module de préchauffage (10) selon la revendication 5, dans lequel les parois (22) intérieures comprennent deux parois distales d’un centre de la première paroi périphérique (23), les parois distales comportant une pluralité d’ouvertures (22e).
7. Module de préchauffage (10) selon la revendication 4, dans lequel les parois (22) intérieures sont agencées en forme de spirale.
8. Module de préchauffage (10) selon la revendication 4, dans lequel une troisième série de parois (22c) intérieures s’étend depuis la première paroi périphérique (23) et une quatrième série de parois (22d) intérieures s’étend depuis la deuxième paroi périphérique (24), les parois (22c) intérieures de la troisième série et les parois (22d) intérieures de la quatrième série étant agencées parallèlement les unes par rapport aux autres en alternance une à une.
9. Module de préchauffage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi (30) de transfert comprend une pluralité de premières ouvertures (31 ) occupant 20% à 35%, non inclus, d’une surface totale de la paroi (30) de transfert.
10. Module de préchauffage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la chambre de diffusion (12) comprend une pluralité de parois (35) de diffusion, chaque paroi (35) de diffusion comportant des secondes ouvertures (36) occupant 35% à 50% d’une surface totale des parois (35) de diffusion, de préférence entre 40% et 60% d’une surface totale des parois (35) de diffusion.
11 . Four (1 ) pour la consolidation et la densification d’une pièce (P) en matériau composite à matrice céramique, le four (1 ) comprenant un module de traitement (2) comportant une cavité (3) pour accueillir cette pièce (P), et un module de préchauffage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de préchauffage étant situé sous le module de traitement (2) et formant avec ce module de traitement (2) un second empilement selon l’axe (X) d’empilement.
12. Procédé (100) de consolidation et de densification d’une pièce (P) composite à matrice céramique mis en oeuvre au moyen d’un four selon la revendication 11 , le procédé comprenant les étapes suivantes dans cet ordre :
110) fournir un four selon la revendication 11 ,
120) attendre que la température (TUE) dans l’unité (20) d’éclatement atteigne une valeur comprise entre -100°C et -200°C par rapport à une température (TMC) souhaitée dans le module de traitement (2) et la température (TCD) dans la chambre de diffusion (12) à une valeur comprise entre -30°C et -5°C par rapport à la température (TMC) souhaitée dans le module de traitement (2),
130) concomitamment ou subséquemment à l’étape 120), injecter le mélange de gaz dans le four et attendre jusqu’à ce qu’il atteigne la température (TMC) souhaitée.
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