Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce en CMC

Domaine Technique

L'invention concerne des pièces en composite à matrice céramique (CMC) et des procédés pour fabriquer de telles pièces.

Un domaine d'application de l'invention réside dans la réalisation de pièces qui sont destinées à être exposées à des températures de service élevées, spécifiquement dans les domaines de l'aviation et de l'espace, et en particulier de pièces pour les parties chaudes des moteurs à turbine d'avion, étant entendu que l'invention peut être appliquée à d'autres domaines, par exemple au domaine des turbines à gaz industrielles.

Technique antérieure

Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés thermostructurales, c'est-à-dire de bonnes propriétés mécaniques qui les rendent adaptés à la constitution de pièces structurales, conjointement avec l'aptitude à conserver ces propriétés à des températures élevées. Les matériaux CMC comprennent un renfort fibreux fait de câbles de matériaux céramiques ou carbonés présents dans une matrice céramique. L'utilisation de matériaux CMC au lieu de matériaux métalliques pour des pièces qui sont exposées à des températures de service élevées est souhaitable, en particulier car ces matériaux présentent une masse volumique qui est considérablement inférieure à la masse volumique des matériaux métalliques qu'ils remplacent.

On sait notamment fabriquer une pièce en CMC au moyen d'une technique dans laquelle des plis de fibres revêtues d'une interphase sont imprégnés par un mélange de résine et ensuite superposés dans l'orientation souhaitée pour que soit obtenue une préforme de la pièce à obtenir. Après la formation de la préforme, la résine est pyrolysée et ensuite une densification de la préforme est effectuée par infiltration avec du silicium fondu ou un alliage de silicium fondu pour former une matrice céramique. Les inventeurs ont observé que le produit ainsi obtenu peut ne pas être entièrement satisfaisant parce que des couches de matrice entre chaque pli peuvent conduire à une faiblesse au fluage à température, due à la présence de silicium libre. Dans ce type de produit, les phases de matrice incorporées, caractérisées par une faible résistance au fluage, sous la forme de silicium libre dans la matrice obtenue par infiltration à l'état fondu, peuvent conduire à une surcharge des fibres dépassant leur résistance au fluage et donc à une diminution du temps de rupture.

Il est donc souhaitable de mettre à disposition des pièces en CMC ayant de meilleures propriétés mécaniques, et en particulier une meilleure résistance au fluage, aux températures élevées.

Exposé de l'invention

La présente invention met à disposition un procédé de fabrication d'une pièce en CMC, le procédé comprenant au moins :

- le revêtement d'une pluralité de câbles avec une interphase par transport des câbles à travers une chambre de traitement dans laquelle une phase gazeuse est injectée, les câbles étant mis sous tension durant leur transport et l'interphase étant formée par dépôt en phase vapeur à partir de la phase gazeuse injectée ;

- la formation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel utilisant les câbles revêtus de l'interphase ; et

- la formation d'une préforme fibreuse consolidée par traitement de la préforme fibreuse par infiltration chimique en phase vapeur pour former une phase de consolidation sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa.

Sauf mention contraire, le module de Young de la phase de consolidation est mesuré à 20°C.

La combinaison du renfort obtenu par tissage tridimensionnel et de la phase de consolidation de carbure de silicium obtenue par infiltration chimique en phase vapeur (CVI) avec un module élevé conduit à un réseau 3D interconnecté et rigide sans silicium libre, qui confère au matériau une résistance au fluage élevée à haute température. Les inventeurs ont aussi observé que la formation de l'interphase par dépôt en phase vapeur sur un câble transporté sous tension réalise un revêtement individuel autour de chaque fibre du câble, ainsi qu'un bon remplissage intra-câble, du fait d'un effet avantageux de l'espacement des fibres dans le câble. Le

remplissage du câble est donc plus homogène en comparaison avec la formation de l'interphase par CVI sur les fibres d'une préforme déjà tissée dans laquelle la perméabilité aux gaz des câbles est limitée. Dans l'invention, l'interphase formée offre notamment un meilleur transfert de charge de fibre à fibre et aussi évite le risque d'une liaison vitreuse (« glass linkage ») et d'une rupture de faisceaux de fibres adjacentes durant une exposition oxydante. La solution proposée par la présente invention met donc à disposition une pièce en CMC ayant de meilleures propriétés mécaniques aux températures élevées.

Dans un mode de réalisation, la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa, par exemple supérieur ou égal à 400 GPa.

Cette caractéristique améliore davantage encore la résistance au fluage de la pièce en CMC.

Dans un mode de réalisation, la porosité volumique résiduelle de la préforme fibreuse consolidée est située dans la plage allant de 25 % à 45 %, par exemple dans la plage allant de 30 % à 35 %.

Les inventeurs ont observé que cette caractéristique optimise avantageusement la résistance au fluage aux températures élevées.

Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre la densification de la préforme fibreuse consolidée par formation d'une phase de matrice en carbure de silicium sur la phase de consolidation par infiltration avec une composition fondue comprenant du silicium, des particules de carbone et/ou de céramique étant présentes dans la porosité de la préforme consolidée avant l'infiltration.

Cette caractéristique conduit avantageusement à une matrice en céramique ayant une faible porosité, ce qui réduit ainsi les concentrations de contrainte sous charge mécanique et améliore la résistance de la matrice aux fissurations.

Dans un mode de réalisation, l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique ou carbone dopé au bore. Dans un exemple, l'interphase peut être recouverte d'une couche protectrice d'au moins l'un des matériaux suivants : nitrure de silicium ou carbure de silicium.

Dans un mode de réalisation, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. La présente invention met aussi à disposition une pièce en CMC comprenant au moins :

- un renfort fibreux tissé 3D comprenant une pluralité de câbles, les câbles ayant une pluralité de fibres qui sont revêtues individuellement d'une interphase ; et

- une phase de consolidation densifiant le renfort fibreux et située sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa, la phase de consolidation ne contenant pas de silicium libre.

Cette pièce en CMC peut être obtenue par mise en œuvre du procédé décrit ci- dessus.

Dans un mode de réalisation, la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa, par exemple supérieur ou égal à 400 GPa.

Comme indiqué ci-dessus, cette caractéristique améliore davantage encore la résistance au fluage de la pièce en CMC.

Dans un mode de réalisation, la fraction volumique de la phase de consolidation est située dans la plage allant de 5 % à 30 %, par exemple dans la plage allant de 10 % à 30 %.

Cette caractéristique optimise avantageusement la résistance au fluage aux températures élevées.

Dans un mode de réalisation, la pièce comprend en outre une phase de matrice en carbure de silicium située sur la phase de consolidation, ladite phase de matrice en carbure de silicium ayant une porosité volumique résiduelle inférieure ou égale à 8

%.

Comme indiqué ci-dessus, cette caractéristique réduit avantageusement les concentrations de contrainte sous charge mécanique et améliore la résistance de la matrice aux fissurations.

Dans un mode de réalisation, l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique, et carbone dopé au bore.

Dans un mode de réalisation, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. A titre d'exemple, la pièce peut être une pièce de moteur à turbine. A titre d'exemple, la pièce peut être un anneau de turbine ou un secteur d'anneau de turbine, une aube mobile, une aube fixe, une paroi de chambre de combustion, ou un distributeur.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à partir de la description qui suit, qui est présentée de manière non limitative et en référence aux dessins joints, dans lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 est un ordinogramme d'un exemple d'un procédé selon l'invention ; et

[Fig. 2] La figure 2 illustre d'une façon générale un dispositif pour former

l'interphase sur les câbles alors qu'ils sont transportés à travers une chambre de traitement qui peut être utilisé dans l'invention.

Description des modes de réalisation

Le procédé commence par le revêtement des câbles avec une interphase au moyen de la mise en œuvre d'un dépôt en phase vapeur (étape S10 sur la figure 1).

Les câbles peuvent comprendre des fibres céramiques, par exemple des fibres de nitrure ou de carbure, par exemple des fibres de carbure de silicium. Dans une autre variante, les câbles peuvent comprendre des fibres de carbone. Dans un exemple, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. Des exemples de tels câbles sont commercialisés sous le nom "Hi-Nicalon-S" par la société NGS, sous le nom "Tyranno SA3" par le fournisseur UBE, ou sous le nom "Sylramic i-BN" par le fournisseur COI Ceramics. Un câble comprend une pluralité de fibres, par exemple au moins cent fibres, typiquement 500 fibres.

L'interphase sert à ralentir la rupture des fibres des câbles par des fissures qui commencent initialement dans la matrice. A titre d'exemple, l'interphase de défragilisation peut comprendre un matériau de structure lamellaire qui, pour une fissure atteignant l'interphase, est capable de dissiper l'énergie de fissuration par désolidarisation localisée à l'échelle atomique de façon que la fissure soit déviée dans l'interphase. L'interphase est un revêtement qui peut comprendre une seule couche ou plusieurs couches. L'interphase peut contenir une ou plusieurs couches de : nitrure de bore BN, nitrure de bore dopé au silicium BN(Si) (ayant une teneur massique en silicium située dans la plage allant de 5 % à 40 %, le reste étant du nitrure de bore), carbone pyrolytique PyC ou carbone dopé au bore (ayant une teneur atomique en bore située dans la plage allant de 5 % à 20 %, le reste étant du carbone) ou carbure de bore. L'épaisseur de l'interphase peut être supérieure ou égale à 10 nanomètres (nm), et par exemple peut être située dans la plage allant de 10 nm à 1000 nm. D'une manière connue, il peut être préférable d'effectuer un traitement de surface sur les fibres des câbles avant la formation de l'interphase afin d'éliminer l'ensimage et une couche de surface d'oxyde telle que la silice S1O2 présente sur les fibres.

Des procédés et dispositifs pour revêtir les câbles d'une interphase formée par dépôt en phase vapeur alors que ces câbles sont transportés sous tension à travers une chambre de traitement sont connus. Concernant cet aspect, il est par exemple possible de se référer au document FR 3 044 022.

Une brève description d'un exemple d'un dispositif convenable 1 pour former l'interphase sur les câbles 2 est présentée ci-dessous en référence à la Figure 2.

Le dispositif 1 comprend une chambre de traitement 4 dans laquelle une pluralité de câbles 2 destinés à être revêtus sont transportés en étant entraînés par un système de convoyage 6, comprenant ici des premier 6a et deuxième 6b ensembles de poulies. Chaque ensemble 6a ou 6b comprend une ou plusieurs poulies. Durant le revêtement, les câbles 2 sont transportés par le système de convoyage 6 de l'extrémité d'entrée 5a à l'extrémité de sortie 5b. Le système de convoyage 6 est configuré pour transporter les câbles 2 à travers la chambre de traitement 4 le long d'un axe de convoyage Y. Dans l'exemple représenté, l'axe de convoyage Y est parallèle à l'axe longitudinal X du dispositif 1. Les câbles 2 sont mis sous tension entre les poulies 6a et 6b et sont mis sous tension entre les extrémités d'entrée et de sortie 5a et 5b. Du fait de la tension appliquée, les fibres des câbles 2 s'écartent, ce qui conduit à un remplissage plus homogène des câbles 2 et à un revêtement individuel des fibres. Les câbles 2 peuvent être transportés en continu à travers la chambre de traitement 4 durant le revêtement avec l'interphase. Dans ce cas, les câbles 2 ne s'arrêtent pas tandis qu'ils sont transportés à travers la chambre de traitement 4.

Les câbles 2 qui doivent être revêtus de l'interphase peuvent ne pas être liés entre eux (en particulier les câbles 2 ne sont pas tissés, tricotés, ou tressés ensemble). Les câbles 2 peuvent ne pas avoir été soumis à une opération textile et ne peuvent pas former une structure fibreuse durant le revêtement avec l'interphase.

L'interphase est obtenue par injection d'une phase gazeuse 10 dans la chambre de traitement à travers un orifice d'entrée 7 pour former l'interphase sur les câbles 2. L'interphase peut être formée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

L'interphase peut être formée au contact des fibres des câbles. La phase gazeuse n'ayant pas réagi, conjointement avec des sous-produits de la réaction, sont évacués par pompage via un orifice de sortie 8 (flèche 11). Le dispositif 1 comprend aussi un système chauffant configuré pour chauffer la chambre de traitement 4 afin de réaliser de dépôt en phase vapeur. Le système chauffant peut chauffer la chambre de traitement 4 par chauffage inductif ou radiant. Lorsqu'une interphase de PyC doit être formée, la phase gazeuse 10 peut comprendre un ou plusieurs hydrocarbures gazeux, par exemple choisis parmi le méthane, l'éthane, le propane et le butane. Dans une variante, la phase gazeuse 10 peut contenir un précurseur gazeux d'un matériau céramique, tel qu'une combinaison de trichlorure de bore BCI ₃ et d'ammoniac NH ₃ . Afin de produire une interphase donnée, la sélection du ou des précurseurs à utiliser conjointement avec les conditions de pression et de

température devant être imposées dans la chambre de traitement 4 font partie des connaissances générales de l'homme du métier.

Une interphase multicouche peut être réalisée par placement d'une pluralité d'unités de ce type en série, comprenant chacune un dispositif pour injecter une phase gazeuse et un dispositif pour éliminer la phase gazeuse résiduelle.

Une fois que les câbles 2 ont été revêtus de l'interphase, le procédé se poursuit en effectuant un tissage tridimensionnel des câbles revêtus pour former une préforme fibreuse de la pièce devant être obtenue (étape S20 sur la figure 1).

La préforme fibreuse sert à former le renfort fibreux de la pièce devant être obtenue. La préforme fibreuse est obtenue par tissage tridimensionnel entre une pluralité de couches de câbles de chaîne et une pluralité de couches de câbles de trame. La préforme fibreuse peut être faite d'une seule pièce par tissage tridimensionnel. Le tissage tridimensionnel peut être réalisé avec un tissage

"interlock", c'est-à-dire un tissage dans lequel chaque couche de câbles de trame lie une pluralité de couches de câbles de chaîne, avec tous les câbles d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. Les rôles des chaînes et trames peuvent être inversés, et cette inversion doit être considérée également comme étant couverte par les revendications. L'utilisation d'autres types de tissage 3D ne sont bien entendu pas du cadre de l'invention. Diverses techniques de tissage convenables sont décrites dans le document WO 2006/136755.

D'une manière connue, il peut être préférable de traiter les câbles revêtus avant le tissage avec une composition d'ensimage comprenant un polysiloxane linéaire, pour éviter tout risque d'endommagement de l'interphase durant le tissage. Un exemple d'une telle composition d'ensimage est divulgué dans le document US 2017/073854. Une autre solution pour éviter tout risque d'endommagement de l'interphase consiste à former la préforme en utilisant un métier à tisser ayant des éléments qui viennent en contact avec les câbles qui sont faits en molybdène. Ce type de métier à tisser est divulgué dans le document FR 3045679.

Après la formation de la préforme tissée 3D, une phase de consolidation comprenant du carbure de silicium est formée par CVI dans les pores de la préforme fibreuse et sur l'interphase (étape S30 sur la figure 1). La phase de consolidation peut être formée en contact avec l'interphase. La phase de consolidation obtenue par CVI ne contient pas de silicium libre et a un module de Young élevé, supérieur ou égal à 350 GPa. Le module de Young de la phase de consolidation peut par exemple être situé dans la plage allant de 350 GPa à 450 GPa, par exemple dans la plage allant de 350 GPa à 420 GPa. Comme mentionné ci-dessus, cette phase de consolidation confère à la pièce la résistance au fluage souhaitée aux températures élevées. La phase de consolidation comprend du carbure de silicium, éventuellement dopé avec un matériau auto-cicatrisant tel que le bore B ou le carbure de bore B ₄ C.

L'épaisseur de la phase de consolidation peut être supérieure ou égale à 500 nm, par exemple située dans la plage allant de 1 micromètre (pm) à 30 pm. L'épaisseur de la phase de consolidation est suffisante pour consolider la préforme fibreuse, c'est-à-dire pour lier ensemble les câbles de l'ébauche suffisamment pour permettre à la préforme d'être manipulée tout en conservant sa forme sans l'assistance d'un outillage de maintien.

Après la formation de la phase de consolidation et avant le début de la densification supplémentaire optionnelle (étape S40 sur la figure 1), la porosité volumique résiduelle de la préforme fibreuse consolidée peut être inférieure ou égale à 45 %, par exemple peut être située dans la plage allant de 30 % à 35 %. La fraction volumique de la phase de consolidation dans la préforme fibreuse consolidée (ou dans la pièce en CMC) peut être supérieure ou égale à 5 %. Dans un exemple, cette fraction volumique de la phase de consolidation est située dans la plage allant de 10 % à 30 %.

Après la formation de la phase de consolidation, une étape de densification supplémentaire peut être réalisée pour terminer la densification de la préforme (étape S40). La phase de matrice céramique formée durant l'étape de densification supplémentaire S40 est formée sur la phase de consolidation et peut être en contact avec la phase de consolidation.

Dans un mode de réalisation, cette étape de densification supplémentaire

correspond à une densification par infiltration par une barbotine (« slurry-cast ») suivie d'une d'infiltration à l'état fondu. Dans ce cas, une poudre de céramique et/ou de carbone peut être introduite dans les pores de la préforme fibreuse consolidée. Pour ce faire, la préfome consolidée peut être imprégnée d'une barbotine contenant la poudre en suspension dans un milieu liquide, par exemple de l'eau. La poudre peut être retenue dans la préforme par filtration, éventuellement avec l'assistance d'une aspiration ou d'une pression. Il est préférable d'utiliser une poudre constituée de particules ayant une taille moyenne (D50) inférieure ou égale à 5 pm, ou même inférieure ou égale à 2 pm. Avant l'infiltration avec la composition fondue, la poudre est présente dans les pores de la préforme fibreuse consolidée. La poudre peut comprendre des particules de carbure de silicium. En remplacement ou en plus des particules de carbure de silicium, des particules d'un autre matériau, par exemple tel que le carbone, le carbure de bore, le borure de silicium, le nitrure de silicium, peuvent être présentes dans les pores de la préforme fibreuse.

Ensuite, la préforme fibreuse consolidée comprenant les particules est infiltrée avec une composition fondue comprenant du silicium. Cette composition peut correspondre à du silicium fondu seul ou à un alliage de silicium à l'état fondu qui contient aussi un ou plusieurs autres éléments tels que le titane, le molybdène, le bore, le fer ou le niobium. La proportion en poids de silicium dans la composition fondue peut être supérieure ou égale à 50 %, par exemple supérieure ou égale à 75 %, par exemple supérieure ou égale à 90 %.

L'utilisation d'autres types de techniques pour l'étape de densification

supplémentaire S40 ne sortent bien entendu pas du cadre de l'invention. Par exemple, l'étape de densification supplémentaire peut être effectuée d'une manière connue par CVI ou par une technique d'infiltration de polymère et de pyrolyse (« Polymer Infiltration and Pyrolysis » ; « PIP »). Dans un exemple, la technique CVI utilisée pour former la phase de consolidation peut être poursuivie de façon à densifier complètement la préforme fibreuse. Dans ce cas, toute la matrice céramique de la pièce en CMC peut être obtenue par CVI. L'expression "situé dans la plage allant de ... à ..." doit être comprise comme incluant les bornes.