EP4058276A1 - Piece a resistance a l'usure par frottement amelioree - Google Patents

Piece a resistance a l'usure par frottement amelioree

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Publication number
EP4058276A1
EP4058276A1 EP20817458.1A EP20817458A EP4058276A1 EP 4058276 A1 EP4058276 A1 EP 4058276A1 EP 20817458 A EP20817458 A EP 20817458A EP 4058276 A1 EP4058276 A1 EP 4058276A1
Authority
EP
European Patent Office
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resin
zone
particles
resistant
wear
Prior art date
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Pending
Application number
EP20817458.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bertrand Léon Marie DESJOYEAUX
Mathieu François Eric PREAU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Nacelles SAS
Original Assignee
Safran Nacelles SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Nacelles SAS filed Critical Safran Nacelles SAS
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    • F16C2208/80—Thermosetting resins
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    • F16C2208/82—Composites, i.e. fibre reinforced thermosetting resins
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers

Definitions

  • the present invention relates to a part made of composite material with an organic matrix (“Organic Matrix Composite”; “OMC”) having improved resistance to wear by friction, as well as the manufacture of this part.
  • OMC Organic Matrix Composite
  • Organic matrix composites are often used in the conditions of parts in contact with each other with friction.
  • the friction coefficients of the usual matrices of structural composites with a thermoset or thermoplastic organic matrix are relatively high.
  • the contacts and friction encountered during operation can generate significant heating and wear.
  • the invention relates to a part made of composite material with an organic matrix having on its surface a zone resistant to wear by friction comprising a resin in which particles of polytetrafluoroethylene are present.
  • the area resistant to frictional wear of the part according to the invention has a reduced dynamic coefficient of friction and gives the part a significant improvement in frictional wear resistance compared to the incorporation of carbon fillers proposed by the prior art.
  • the solution according to the invention makes it possible to keep a relatively simple manufacture for the part and does not create any additional bulk for the latter, the geometry and the dimensions of the part not being significantly modified.
  • the invention makes it possible to dispense with the use of a metallic wear element attached and assembled by gluing to the part, this solution being able to lead to a more complex manufacture and to differential expansions not accommodated in operation.
  • the mass content of polytetrafluoroethylene particles in the zone resistant to wear by friction is between 5% and 65%, for example between 10% and 60%.
  • Such contents advantageously participate in further improving the resistance to frictional wear while avoiding any risk of altering the properties of the part made of composite material.
  • the average size of the polytetrafluoroethylene particles is between 0.1 ⁇ m and 50 ⁇ m, or even between 0.5 ⁇ m and 50 ⁇ m or between 0.1 ⁇ m and 10 ⁇ m, or even between 0.5 ⁇ m. and 5 pm.
  • average size denotes the dimension given by the statistical particle size distribution at half of the population, known as D50.
  • the part is a turbomachine part, for example an aeronautical turbomachine part.
  • the part can, for example, be a movable cowl of a thrust reverser (“transcowl”) or a fan cowl (“fancowl”).
  • transcowl thrust reverser
  • fancowl fan cowl
  • the invention also relates to an assembly comprising a first part as described above and a second part, separate from the first part, in contact with the zone resistant to wear by friction of the first part.
  • the first and second parts are intended to be in rubbing contact with each other on the frictional wear resistant area.
  • the second part may have a structure as described above, that is to say be made of a composite material with an organic matrix and have on its surface a second zone resistant to wear by friction comprising a second resin in which are present second particles of polytetrafluoroethylene, the area resistant to frictional wear of the first part being in contact with the second area resistant to frictional wear.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising an assembly as described above.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a part as described above, comprising at least:
  • a surface treatment of the substrate can be carried out before forming the layer comprising the resin in the fluid state and the polytetrafluoroethylene particles.
  • a fibrous texture and optionally an adhesive can be positioned on the substrate before formation of said layer over it.
  • the method is a method for manufacturing a part as described above, comprising at least:
  • the method is a method for manufacturing a part as described above, comprising at least:
  • the joint curing can be carried out by joint crosslinking (co-crosslinking) of the resin and of the matrix composition. This is the case when the resin and the matrix composition are thermosetting. Joint curing can still be achieved by joint solidification without co-crosslinking of the resin and the matrix composition. This is the case when the resin and the matrix composition are thermoplastic.
  • FIG. 1 schematically illustrates a section of an exemplary part according to the invention.
  • FIG. 2 schematically illustrates a section of an exemplary assembly according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates the product obtained after a first step of a first example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates the product obtained after a second step of the first example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • FIG. 5 illustrates the product obtained after a first step of a second example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • FIG. 6 illustrates the product obtained after a second step of the second example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • FIG. 7 illustrates the product obtained after a first step of a third example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • FIG. 8 illustrates the product obtained after a second step of the third example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • FIG. 9 illustrates the product obtained after a third step of the third example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • FIG. 10 is a comparative test result showing the differences in terms of dynamic friction coefficient between a part according to the invention and parts outside the invention.
  • Figure 11 is a comparative test result showing the differences in terms of dynamic friction coefficient between a part according to the invention and parts outside the invention.
  • FIG. 12 is a comparative test result showing the differences in terms of volume used after friction test between a part according to the invention and parts outside the invention.
  • Part 1 is made of a composite material with an organic matrix and comprises a fibrous reinforcement densified by the organic matrix.
  • the organic matrix is present in the porosity of the fibrous reinforcement and coats and connects the fibers of this reinforcement.
  • the union of the fibrous reinforcement and the organic matrix forms a composite material with an organic matrix represented by the symbol 10 in Figures 1 to 4.
  • the fibrous reinforcement can have various structures.
  • the fibrous reinforcement can be formed by a stack of fibrous textures, such as two-dimensional fabrics or unidirectional sheets, or by a fabric obtained by three-dimensional weaving.
  • the fibers forming the fibrous reinforcement can be carbon fibers, fibers of a ceramic material other than carbon, such as silicon carbide or alumina, glass fibers or polymeric fibers.
  • the organic matrix of part 1 can be a thermoplastic polymer in the solid state or a thermosetting polymer in the polymerized and solid state.
  • the organic matrix can be an epoxy matrix, a polyurethane matrix, a polyamide matrix, a polyetherimide (PEI) matrix or a polyetheretherketone (PEEK) matrix.
  • the part 1 has on its surface S a zone 20 resistant to wear by friction which comprises a resin 24 in which particles 22 of polytetrafluoroethylene are present.
  • a zone 20 resistant to wear by friction which comprises a resin 24 in which particles 22 of polytetrafluoroethylene are present.
  • the dimensions of this zone 20 have been exaggerated for reasons of readability.
  • the expression “polytetrafluoroethylene particles” is designated by “PTFE particles” or “particles”, and the term “frictional wear resistant zone” is referred to as "zone”.
  • the resin 24 constitutes a solid matrix in which the particles 22 are present.
  • the zone 20 may have a coefficient of dynamic friction less than or equal to 0.1, for example less than or equal to 0.06. The coefficient of dynamic friction can be measured by the alternating underload friction test method.
  • Zone 20 is a surface part of the part 1 located between the external surface S of the part 1 and the fibrous reinforcement of the latter. Zone 20 may be in contact with the fibers of the fibrous reinforcement of part 1. In particular, particles 22 may be in contact with the fibers of the fibrous reinforcement and / or inserted between these fibers. As a variant, zone 20 can be separated from the fibers of the fibrous reinforcement by the organic matrix of part 1.
  • the thickness e i0 of zone 20 may be less than or equal to 0.5 mm, for example between 0.01 mm and 0.3 mm.
  • the zone 20 defines the outer surface S of the part 1 and is intended to be in contact and to rub with a second part, separate from the part 1, during use.
  • FIG. 2 illustrates this aspect where a second part 2 is in contact with the zone 20 of the part 1.
  • the part 1 and the second part 2 are intended to be in rubbing contact (shown by the arrows F) during use. It will be noted that the rubbing surface of the second part 2 which in contact with the zone 20 may or may not have a zone resistant to wear by friction of the same type as the zone 20.
  • the particles 22 of PTFE are selectively located in the zone 20, that is to say only present at the level of the surface of the part 1, and are not present in the whole of the part. composite material 10 covered by zone 20. However, it does not depart from the scope of the invention if the particles 22 are present on the surface of the part 1 but also in the entire volume of the composite material 10 covered by the zone 20.
  • the particles of PTFE can thus, according to one example, be integrated into the organic matrix of part 1.
  • Resin 24 may be thermoplastic in the solid state or thermosetting in the polymerized and solid state.
  • Resin 24 can be an organic resin.
  • the resin 24 can be the same or different from the organic matrix.
  • resin 24 can be an epoxy resin, a polyurethane resin, a polyamide resin, a polyetherimide resin or a polyetheretherketone resin.
  • the content by mass of PTFE particles in zone 20 may be greater than or equal to 5%, for example greater than or equal to 10%.
  • the content by mass of PTFE particles in zone 20 can be between 5% and 65%, for example between 10% and 60%.
  • the average size of the PTFE particles can be greater than or equal to 0.1 ⁇ m, for example greater than or equal to 0.5 ⁇ m.
  • the average size of the PTFE particles may be less than or equal to 50 ⁇ m, for example less than or equal to 10 ⁇ m, for example less than or equal to 5 ⁇ m, for example less than or equal to 2 ⁇ m.
  • the mean size of the PTFE particles can be between 0.1 ⁇ m and 50 ⁇ m, for example between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m or between 0.1 ⁇ m and 10 ⁇ m, for example between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m, or between 0, 1 pm and 5 pm, for example between 1 pm and 5 pm, or alternatively between 0.1 pm and 2 pm, for example between 1 pm and 2 pm.
  • the PTFE particles can be in the form of grains, fibrils or bundles of fibrils. In the form of fibrils or bundles, the greatest length can reach 0.05 mm.
  • PTFE particles By way of example of PTFE particles which can be used, mention may be made of the PTFE particles (powder with an average diameter of 1 micrometer) sold under the reference 430935-100g by the company Sigma-Aldrich.
  • the resin content by mass in zone 20 may be greater than or equal to 35%, for example greater than or equal to 40%.
  • the resin content by mass in zone 20 can be between 35% and 95%, for example between 35% and 90% or between 40% and 95%, for example between 40% and 90%.
  • FIGS. 3 and 4 illustrate the products obtained during two steps of a first example of the manufacturing process according to the invention.
  • the zone 20 is formed on a substrate 10 made of a composite material with an organic matrix, the manufacture of which has been completed beforehand.
  • the organic matrix of substrate 10 has been cured beforehand.
  • the organic matrix of the substrate 10 is in the polymerized state in the case of a thermosetting matrix.
  • This variant can, for example, be implemented within the framework of a repair of the substrate 10 which has undergone wear by friction with the second part 2 during its use or within the framework of the manufacture of a part intended for a first use (part in new condition).
  • the product illustrated in FIG. 3 is formed which presents, on the one hand, the substrate 10 made of a composite material with an organic matrix and, on the other hand, a layer comprising the resin 23 in the fluid state in which are present the particles 22 of PTFE, this layer being present on the surface SI of the substrate 10.
  • This layer may be in contact with the surface SI of the substrate 10.
  • This layer comprising the fluid resin 23 and the particles 22 may be formed of different ways.
  • the resin 23 can be deposited directly on the surface SI in the fluid state with or without the particles 22.
  • the resin 23 in the fluid state comprising the particles can thus be deposited directly on the surface SI of the substrate 10. 22 as a mixture, or deposit first on the substrate 10 the resin 23 in the fluid state then the particles 22 or first the particles 22 then the resin 23 in the fluid state.
  • the resin can be deposited in solid form on the surface S1, for example in the form of a film comprising the particles 22 or else in the form of a pulverulent mixture comprising the resin particles and the particles 22.
  • a step of fluidizing this resin deposited on the substrate 10, for example by heating is carried out in order to obtain the product illustrated in FIG. 3.
  • a preliminary treatment of the surface of the substrate 10 for example by sanding and / or sandblasting (plasma, corona, laser, etc.). This preliminary treatment of the surface may result in certain fibers of the fibrous reinforcement of the substrate 10 being exposed on the surface so that the fluid resin 23 and the particles 22 then come into contact with these exposed fibers.
  • the hardening of the fluid resin 23 is carried out.
  • This hardening can be carried out by cooling the product of FIG. 3, thus making it possible to set the resin when the latter is a thermoplastic resin, or by polymerization of the resin 23 when it is a thermosetting resin. This polymerization can be activated by heating.
  • zone 20 is formed and the part made of composite material as illustrated in FIG. 4 is obtained.
  • the adhesion of zone 20 to the underlying substrate 10 can be achieved by bonding with a deposited adhesive. beforehand on the surface of the substrate 10 and / or by penetration of the fluid resin 23 into the surface porosity of the substrate thus forming a plurality of anchoring points.
  • This adhesion can also be achieved by local melting of the underlying substrate followed by cooling thus making it possible to jointly fix substrate 10 and zone 20, in particular in the case of a thermoplastic organic matrix.
  • FIGS. 3 and 4 which has just been described concerns the manufacture of the part by forming the zone 20 on a substrate made of composite material with an organic matrix, the manufacture of which has been completed beforehand.
  • a description will now be given, in conjunction with FIGS. 5 to 9, of the case where the resin and the particles are deposited before completion of the manufacture of the composite material with an organic matrix.
  • FIGS. 5 and 6 illustrate a second example of a method for manufacturing a part according to the invention.
  • a layer comprising the fluid resin 23 in which the particles 22 are present. intended to form the fibrous reinforcement of the composite material part to be obtained.
  • the matrix composition 40 is intended to form the organic matrix of the part made of composite material to be obtained.
  • the fibrous structure is formed by a stack of fibrous plies 30 impregnated with the matrix composition 40 which may be an organic, thermoplastic or polymeric polymer. thermosetting.
  • the matrix composition 40 which may be an organic, thermoplastic or polymeric polymer. thermosetting.
  • the resin 23 and the particles 22 can be deposited directly as a mixture or separately, and in the fluid state or in the solid state.
  • thermoplastic polymers it is then possible to carry out a heat treatment of the product of FIG. 5 so as to co-polymerize the matrix composition 40 and the resin 23 (in the case of two thermosetting polymers) in order to obtain the part comprising a composite material 110 with a matrix. organic having on its surface S the zone 20 (figure 6).
  • cooling can be carried out in order to jointly harden the resin 23 and the matrix composition 40 and obtain the part made of composite material.
  • the compaction can make it possible to d 'obtain a composite material 110 with an organic matrix having a thickness e 2 o which is less than the thickness e 2 of the fibrous structure impregnated with matrix composition 40, for example less than or equal to 90% of e 2 .
  • the invention is not, however, limited to the formation of a fluid resin layer on a structure pre-impregnated with a matrix composition.
  • the layer comprising the fluid resin 23 and the particles 22 is first formed on the surface S3 of a dry fibrous structure (not prepreg).
  • the fluid matrix composition 40 is introduced into the fibrous structure. It should be noted that it is possible to carry out a compaction before or after this introduction of matrix composition 40.
  • the introduction of the matrix composition 40 can be carried out by injection or infusion.
  • the joint curing of the matrix composition 40 and of the resin 23 is then carried out as described above, by co ⁇ polymerization or joint cooling.
  • FIGS. 10 to 12 These figures provide results of comparative tests between a part according to the invention and parts outside the invention.
  • the parts evaluated were parts made of composite material with an organic matrix having on their surface a resin in which particles of different types were present at a rate of more than 20% by mass (between 30-60% by mass in the resin layer of area).
  • the particles present had an average size of about 1 ⁇ m.
  • “R” denotes a carbon / epoxy composite not exhibiting particles on its surface
  • “1” denotes the results of the part according to the invention having particles of PTFE on its surface.
  • the references “2" to "5" are composites with particles other than PTFE on their surface.
  • FIG. 10 shows an experimental result showing the evolution of the dynamic friction during the test carried out.
  • the test carried out consisted of alternating displacements under constant compressive force.
  • the part according to the invention comprising the PTFE particles exhibits, during the friction test, a dynamic friction coefficient much lower than that of the other parts made of composite material tested. It appears in Figure 11 that the part according to the invention has an average dynamic friction coefficient on the test close to 0.05, which is much lower than the average dynamic friction coefficient of the other evaluated parts which is greater than 0 , 3.
  • FIG. 12 illustrates the result obtained at the end of the test in terms of wear of the rubbing contact surfaces of the parts evaluated. It can be seen that the part having the used volume, corrected for the volume deformed by compression during the tests, the least important is the part according to the invention.

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Abstract

La présente demande concerne une pièce (1) en matériau composite à matrice organique présentant sur sa surface (S) une zone (20) résistante à l'usure par frottement comprenant une résine (24) dans laquelle sont présentes des particules (22) de polytétrafluoroéthylène.

Description

Description
Titre de l'invention : PIECE A RESISTANCE A L'USURE PAR FROTTEMENT
AMELIOREE
Domaine Technique
La présente invention concerne une pièce en matériau composite à matrice organique (« Organic Matrix Composite » ; « OMC ») ayant une résistance à l'usure par frottement améliorée, ainsi que la fabrication de cette pièce.
Technique antérieure
Les composites à matrice organique sont souvent utilisés dans des conditions de pièces en contact entre elles avec frottement. Les coefficients de frottement des matrices usuelles des composites structuraux à matrice organique thermodure ou thermoplastique sont relativement élevés. Les contacts et frottements rencontrés en fonctionnement peuvent générer des échauffements et des usures importants.
Il est connu d'incorporer des charges de carbone dans des bases polymériques, mais, même avec cette solution, le coefficient de frottement de la pièce obtenue peut rester élevé. La résistance à l'usure par frottement conférée par cette solution peut donc encore être améliorée.
Il est, par conséquent, souhaitable de disposer de solutions pour améliorer la résistance à l'usure par frottement de pièces en matériau composite à matrice organique, tout en conservant pour ces pièces une fabrication simple et sans conduire à une augmentation de l'encombrement de celles-ci.
Exposé de l'invention
L'invention concerne une pièce en matériau composite à matrice organique présentant sur sa surface une zone résistante à l'usure par frottement comprenant une résine dans laquelle sont présentes des particules de polytétrafluoroéthylène.
La zone résistante à l'usure par frottement de la pièce selon l'invention présente un coefficient de frottement dynamique réduit et confère à la pièce une amélioration significative de la résistance à l'usure par frottement par rapport à l'incorporation de charges de carbone proposée par l'art antérieur. En outre, la solution selon l'invention permet de conserver une fabrication relativement simple pour la pièce et n'engendre pas d'encombrement supplémentaire pour celle-ci, la géométrie et les dimensions de la pièce n'étant pas significativement modifiées. En particulier, l'invention permet de s'affranchir de l'emploi d'un élément d'usure métallique rapporté et assemblé par collage à la pièce, cette solution pouvant conduire à une fabrication plus complexe et à des dilatations différentielles non-accomodées en fonctionnement.
Dans un exemple de réalisation, la teneur massique en particules de polytétrafluoroéthylène dans la zone résistante à l'usure par frottement est comprise entre 5% et 65%, par exemple comprise entre 10% et 60%.
De telles teneurs participent avantageusement à améliorer davantage encore la résistance à l'usure par frottement tout en évitant tout risque d'altération des propriétés de la pièce en matériau composite.
Dans un exemple de réalisation, la taille moyenne des particules de polytétrafluoroéthylène est comprise entre 0,1 pm et 50 pm, voire entre 0,5 pm et 50 pm ou comprise entre 0,1 pm et 10 pm, voire entre 0,5 pm et 5 pm.
Sauf mention contraire, on désigne par « taille moyenne » la dimension donnée par la distribution granulométrique statistique à la moitié de la population, dite D50.
Dans un exemple de réalisation, la pièce est une pièce de turbomachine, par exemple une pièce de turbomachine aéronautique. La pièce peut, par exemple, être un capot mobile d'un inverseur de poussée (« transcowl ») ou un capot de soufflante (« fancowl »).
L'invention concerne également un ensemble comprenant une première pièce telle que décrite plus haut et une deuxième pièce, distincte de la première pièce, au contact de la zone résistante à l'usure par frottement de la première pièce.
Lors de l'utilisation, les première et deuxième pièces sont destinées à être en contact frottant l'une contre l'autre sur la zone résistante à l'usure par frottement. Selon un exemple, la deuxième pièce peut avoir une structure telle que décrite plus haut c'est-à-dire être en matériau composite à matrice organique et présenter sur sa surface une deuxième zone résistante à l'usure par frottement comprenant une deuxième résine dans laquelle sont présentes des deuxièmes particules de polytétrafluoroéthylène, la zone résistante à l'usure par frottement de la première pièce étant au contact de la deuxième zone résistante à l'usure par frottement. L'invention concerne également une turbomachine comprenant un ensemble tel que décrit plus haut.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce telle que décrite plus haut, comprenant au moins :
- la formation, sur la surface d'un substrat en matériau composite à matrice organique, d'une couche comprenant la résine à l'état fluide et les particules de polytétrafluoroéthylène, et
- le durcissement de la résine à l'état fluide sur le substrat afin de former la zone résistante à l'usure par frottement et obtenir la pièce en matériau composite.
On peut réaliser un traitement de surface du substrat, connu en soi, avant formation de la couche comprenant la résine à l'état fluide et les particules de polytétrafluoroéthylène. Selon un exemple, une texture fibreuse et éventuellement un adhésif peuvent être positionnés sur le substrat avant formation de ladite couche par dessus.
En variante et selon un premier mode de réalisation, le procédé est un procédé de fabrication d'une pièce telle que décrite plus haut, comprenant au moins :
- la formation, sur la surface d'une structure fibreuse pré-imprégnée d'une composition de matrice fluide, d'une couche comprenant la résine à l'état fluide dans laquelle sont présentes les particules de polytétrafluoroéthylène, et
- le durcissement conjoint de la résine à l'état fluide et de la composition de matrice fluide afin de former la zone résistante à l'usure par frottement et obtenir la pièce en matériau composite.
En variante et selon un deuxième mode de réalisation, le procédé est un procédé de fabrication d'une pièce telle que décrite plus haut, comprenant au moins :
- la formation, sur la surface d'une structure fibreuse, d'une couche comprenant la résine à l'état fluide dans laquelle sont présentes les particules de polytétrafluoroéthylène,
- l'introduction d'une composition de matrice fluide dans une porosité de ladite structure fibreuse, et
- le durcissement conjoint de la résine à l'état fluide et de la composition de matrice fluide introduite afin de former la zone résistante à l'usure par frottement et obtenir la pièce en matériau composite.
Dans les deux cas de procédé qui viennent d'être décrits, le durcissement conjoint peut être réalisé par réticulation conjointe (co-réticulation) de la résine et de la composition de matrice. C'est le cas lorsque la résine et la composition de matrice sont thermodurcissables. Le durcissement conjoint peut encore être réalisé par solidification conjointe sans co-réticulation de la résine et de la composition de matrice. C'est le cas lorsque la résine et la composition de matrice sont thermoplastiques.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 illustre, de manière schématique, une section d'un exemple de pièce selon l'invention.
[Fig. 2] La figure 2 illustre, de manière schématique, une section d'un exemple d'ensemble selon l'invention.
[Fig. 3] La figure 3 illustre le produit obtenu après une première étape d'un premier exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention.
[Fig. 4] La figure 4 illustre le produit obtenu après une deuxième étape du premier exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention.
[Fig. 5] La figure 5 illustre le produit obtenu après une première étape d'un deuxième exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention.
[Fig. 6] La figure 6 illustre le produit obtenu après une deuxième étape du deuxième exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention.
[Fig. 7] La figure 7 illustre le produit obtenu après une première étape d'un troisième exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention.
[Fig. 8] La figure 8 illustre le produit obtenu après une deuxième étape du troisième exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention.
[Fig. 9] La figure 9 illustre le produit obtenu après une troisième étape du troisième exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention.
[Fig. 10] La figure 10 est un résultat d'essai comparatif montrant les différences en termes de coefficient de frottement dynamique entre une pièce selon l'invention et des pièces hors invention. [Fig. 11] La figure 11 est un résultat d'essai comparatif montrant les différences en termes de coefficient de frottement dynamique entre une pièce selon l'invention et des pièces hors invention.
[Fig. 12] La figure 12 est un résultat d'essai comparatif montrant les différences en termes de volume usé après essai de frottement entre une pièce selon l'invention et des pièces hors invention.
Description des modes de réalisation
On a représenté à la figure 1 un exemple de pièce 1 selon l'invention. La pièce 1 est en matériau composite à matrice organique et comprend un renfort fibreux densifié par la matrice organique. La matrice organique est présente dans la porosité du renfort fibreux et enrobe et relie les fibres de ce renfort. La réunion du renfort fibreux et de la matrice organique forme un matériau composite à matrice organique représenté par le symbole 10 aux figures 1 à 4.
Le renfort fibreux peut avoir diverses structures. A titre d'exemple, le renfort fibreux peut être formé par un empilement de textures fibreuses, telles que des tissus bidimensionnels ou des nappes unidirectionnelles, ou par un tissu obtenu par tissage tridimensionnel. Les fibres formant le renfort fibreux peuvent être des fibres de carbone, des fibres d'un matériau céramique différent du carbone, comme le carbure de silicium ou l'alumine, des fibres de verre ou des fibres polymériques.
La matrice organique de la pièce 1 peut être un polymère thermoplastique à l'état solide ou un polymère thermodurcissable à l'état polymérisé et solide. A titre d'exemple, la matrice organique peut être une matrice époxyde, une matrice polyuréthane, une matrice polyamide, une matrice polyétherimide (PEI) ou une matrice polyétheréthercétone (PEEK).
La pièce 1 présente sur sa surface S une zone 20 résistante à l'usure par frottement qui comprend une résine 24 dans laquelle sont présentes des particules 22 de polytétrafluoroéthylène. D'une manière générale sur les figures, les dimensions de cette zone 20 ont été exagérées pour des raisons de lisibilité. Dans la suite pour des raisons de concision et sauf mention contraire, l'expression « particules de polytétrafluoroéthylène » est désignée par « particules de PTFE » ou « particules », et l'expression « zone résistante à l'usure par frottement » est désignée par « zone ». La résine 24 constitue une matrice solide dans laquelle sont présentes les particules 22. La zone 20 peut présenter un coefficient de frottement dynamique inférieur ou égal à 0,1, par exemple inférieur ou égal à 0,06, Le coefficient de frottement dynamique peut être mesuré par la méthode d'essai de friction alternée sous-charge.
La zone 20 est une partie superficielle de la pièce 1 située entre la surface externe S de la pièce 1 et le renfort fibreux de celle-ci. La zone 20 peut être en contact avec les fibres du renfort fibreux de la pièce 1. En particulier, des particules 22 peuvent être en contact avec les fibres du renfort fibreux et/ou insérées entre ces fibres. En variante, la zone 20 peut être séparée des fibres du renfort fibreux par la matrice organique de la pièce 1.
L'épaisseur ei0 de la zone 20 peut être inférieure ou égale à 0,5 mm, par exemple comprise entre 0,01 mm et 0,3 mm.
La zone 20 définit la surface extérieure S de la pièce 1 et est destinée à être en contact et à frotter avec une deuxième pièce, distincte de la pièce 1, lors de l'utilisation. La figure 2 illustre cet aspect où une deuxième pièce 2 est en contact avec la zone 20 de la pièce 1. La pièce 1 et la deuxième pièce 2 sont destinées à être en contact frottant (matérialisé par les flèches F) durant l'utilisation. On notera que la surface frottante de la deuxième pièce 2 qui en contact avec la zone 20 peut ou non présenter une zone résistante à l'usure par frottement du même type que la zone 20.
Dans l'exemple de la figure 1, les particules 22 de PTFE sont sélectivement localisées dans la zone 20, c'est-à-dire uniquement présentes au niveau de la surface de la pièce 1, et ne sont pas présentes dans la totalité du matériau composite 10 recouvert par la zone 20. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention si les particules 22 sont présentes en surface de la pièce 1 mais aussi dans tout le volume du matériau composite 10 recouvert par la zone 20. Les particules de PTFE peuvent ainsi, selon un exemple, être intégrées à la matrice organique de la pièce 1.
La résine 24 peut être thermoplastique à l'état solide ou thermodurcissable à l'état polymérisé et solide. La résine 24 peut être une résine organique. La résine 24 peut être identique ou différente de la matrice organique. A titre d'exemple, la résine 24 peut être une résine époxyde, une résine polyuréthane, une résine polyamide, une résine polyétherimide ou une résine polyétheréthercétone.
La teneur massique en particules de PTFE dans la zone 20 peut être supérieure ou égale à 5%, par exemple supérieure ou égale à 10%. La teneur massique en particules de PTFE dans la zone 20 peut être comprise entre 5% et 65%, par exemple entre 10% et 60%.
La taille moyenne des particules de PTFE peut être supérieure ou égale à 0,1 pm, par exemple supérieure ou égale à 0,5 pm. La taille moyenne des particules de PTFE peut être inférieure ou égale à 50 pm, par exemple inférieure ou égale à 10 pm, par exemple inférieure ou égale à 5 pm, par exemple inférieure ou égale à 2 pm. La taille moyenne des particules de PTFE peut être comprise entre 0,1 pm et 50 pm, par exemple entre 1 pm et 50 pm ou entre 0,1 pm et 10 pm, par exemple entre 1 pm et 10 pm, ou entre 0,1 pm et 5 pm, par exemple entre 1 pm et 5 pm, ou encore entre 0,1 pm et 2 pm, par exemple entre 1 pm et 2 pm. Les particules de PTFE peuvent être sous la forme de grains, fibrilles ou faisceaux de fibrilles. Sous forme de fibrilles ou faisceaux, la plus grande longueur peut atteindre 0,05 mm.
A titre d'exemple de particules de PTFE utilisables, on peut citer les particules de PTFE (poudre de diamètre moyen 1 micromètre) commercialisées sous la référence 430935-100g par la société Sigma-Aldrich.
La teneur massique en résine dans la zone 20 peut être supérieure ou égale à 35%, par exemple supérieure ou égale à 40%. La teneur massique en résine dans la zone 20 peut être comprise entre 35% et 95%, par exemple entre 35% et 90% ou entre 40% et 95%, par exemple entre 40% et 90%.
On vient de décrire un exemple de structure d'une pièce selon l'invention et on va maintenant décrire plusieurs exemples de procédé de fabrication en lien avec les figures 3 à 9.
Les figures 3 et 4 illustrent les produits obtenus lors de deux étapes d'un premier exemple de procédé de fabrication selon l'invention. Dans cet exemple, la zone 20 est formée sur un substrat 10 en matériau composite à matrice organique dont la fabrication a été achevée au préalable. La matrice organique du substrat 10 a été durcie au préalable. La matrice organique du substrat 10 est à l'état polymérisé dans le cas d'une matrice thermodurcissable. Cette variante peut, par exemple, être mise en œuvre dans le cadre d'une réparation du substrat 10 ayant subi une usure par frottement avec la deuxième pièce 2 lors de son utilisation ou dans le cadre de la fabrication d'une pièce destinée à une première utilisation (pièce à l'état neuf).
Dans un premier temps, on forme le produit illustré à la figure 3 qui présente, d'une part, le substrat 10 en matériau composite à matrice organique et, d'autre part, une couche comprenant la résine 23 à l'état fluide dans laquelle sont présentes les particules 22 de PTFE, cette couche étant présente sur la surface SI du substrat 10. Cette couche peut être au contact de la surface SI du substrat 10. Cette couche comprenant la résine 23 fluide et les particules 22 peut être formée de différentes manières.
Selon un exemple, la résine 23 peut être directement déposée sur la surface SI à l'état fluide avec ou sans les particules 22. On peut ainsi déposer directement sur la surface SI du substrat 10 la résine 23 à l'état fluide comprenant les particules 22 en mélange, ou déposer d'abord sur le substrat 10 la résine 23 à l'état fluide puis les particules 22 ou d'abord les particules 22 puis la résine 23 à l'état fluide.
Selon une variante, la résine peut être déposée sous forme solide sur la surface SI, par exemple sous la forme d'un film comprenant les particules 22 ou encore sous la forme d'un mélange pulvérulent comprenant des particules de résine et les particules 22. Dans le cas où la résine est déposée à l'état solide sur la surface SI, on réalise une étape de fluidisation de cette résine déposée sur le substrat 10, par exemple par chauffage, afin d'obtenir le produit illustré à la figure 3. Avant la formation de la couche comprenant la résine fluide 23 et les particules 22, on peut réaliser un traitement préliminaire de la surface du substrat 10, par exemple par ponçage et/ou sablage (plasma, corona, laser, etc). Ce traitement préliminaire de la surface peut conduire à exposer à la surface certaines fibres du renfort fibreux du substrat 10 de sorte que la résine fluide 23 et les particules 22 viennent ensuite en contact avec ces fibres exposées.
Dans un deuxième temps, on réalise le durcissement de la résine 23 fluide. Ce durcissement peut être réalisé par refroidissement du produit de la figure 3 permettant ainsi de figer la résine lorsque celle-ci est une résine thermoplastique, ou par polymérisation de la résine 23 lorsqu'il s'agit d'une résine thermodurcissable. Cette polymérisation peut être activée par chauffage. Après ce durcissement, on forme la zone 20 et l'on obtient la pièce en matériau composite telle qu'illustrée à la figure 4. L'adhésion de la zone 20 au substrat 10 sous-jacent peut être réalisée par collage par un adhésif déposé au préalable sur la surface du substrat 10 et/ou par pénétration de la résine 23 fluide dans la porosité superficielle du substrat formant ainsi une pluralité de points d'ancrage. Cette adhésion peut encore être réalisée par fusion locale du substrat sous-jacent suivi d'un refroidissement permettant ainsi de figer de manière conjointe substrat 10 et zone 20 notamment dans le cas d'une matrice organique thermoplastique.
On notera aussi qu'il est possible de réaliser une étape de compaction de la résine fluide 23 avant la fin de son durcissement afin d'obtenir les dimensions souhaitées pour la zone 20 et la pièce 1 à obtenir. Cette étape de compaction permet, comme illustré, de passer de la couche comprenant la résine fluide 23 d'épaisseur ei telle qu'illustrée à la figure 3, à la zone 20 d'épaisseur eio inférieure à ei, par exemple inférieure ou égale à 90% de ei telle qu'illustrée à la figure 4.
Le cas des figures 3 et 4 qui vient d'être décrit concerne la fabrication de la pièce par formation de la zone 20 sur un substrat en matériau composite à matrice organique dont la fabrication a été achevée au préalable. On va maintenant décrire, en lien avec les figures 5 à 9, le cas où la résine et les particules sont déposées avant achèvement de la fabrication du matériau composite à matrice organique.
Ainsi, les figures 5 et 6 illustrent un deuxième exemple de procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention. Selon cet exemple, on forme d'abord, sur la surface S2 d'une structure fibreuse pré-imprégnée d'une composition de matrice 40 fluide, une couche comprenant la résine fluide 23 dans laquelle sont présentes les particules 22. La structure fibreuse est destinée à former le renfort fibreux de la pièce en matériau composite à obtenir. La composition de matrice 40 est destinée à former la matrice organique de la pièce en matériau composite à obtenir. Dans l'exemple illustré, la structure fibreuse est formée par un empilement de plis fibreux 30 imprégnés par la composition de matrice 40 qui peut être un polymère organique, thermoplastique ou thermodurcissable. On pourrait en variante mettre en œuvre une structure fibreuse formée par un tissage tridimensionnel.
De la même manière qu'indiqué en lien avec les figures 3 et 4, la résine 23 et les particules 22 peuvent être déposées directement en mélange ou de manière séparée, et à l'état fluide ou à l'état solide.
On peut ensuite réaliser un traitement thermique du produit de la figure 5 de sorte à co-polymériser la composition de matrice 40 et la résine 23 (dans le cas de deux polymères thermodurcissables) afin d'obtenir la pièce comprenant un matériau composite 110 à matrice organique présentant sur sa surface S la zone 20 (figure 6). Selon une variante, dans le cas de polymères thermoplastiques, on peut réaliser un refroidissement afin de durcir conjointement la résine 23 et la composition de matrice 40 et obtenir la pièce en matériau composite.
Comme indiqué plus haut, on peut réaliser une compaction avant la fin du durcissement conjoint et réduire ainsi l'épaisseur de la zone 20 à une épaisseur eio inférieure à l'épaisseur ei de la couche comprenant la résine fluide 23. La compaction peut permettre d'obtenir un matériau composite 110 à matrice organique ayant une épaisseur e2o qui est inférieure à l'épaisseur e2 de la structure fibreuse imprégnée de composition de matrice 40, par exemple inférieure ou égale à 90% de e2.
L'invention n'est toutefois pas limitée à la formation d'une couche de résine fluide sur une structure pré-imprégnée d'une composition de matrice. En effet, dans la variante de fabrication des figures 7 à 9, on a d'abord formation de la couche comprenant la résine fluide 23 et les particules 22 sur la surface S3 d'une structure fibreuse sèche (non pré-imprégnée). Après formation de cette couche, la composition de matrice 40 fluide est introduite dans la structure fibreuse. A noter qu'il est possible de réaliser une compaction avant ou après cette introduction de composition de matrice 40. L'introduction de la composition de matrice 40 peut être réalisée par injection ou infusion. On réalise ensuite le durcissement conjoint de la composition de matrice 40 et de la résine 23 comme décrit plus haut, par co¬ polymérisation ou refroidissement conjoint. Les caractéristiques qui ont été décrites plus haut en lien avec la pièce de la figure 1 s'appliquent aux pièces obtenues dans les différents exemples de fabrication décrits.
Les performances de la pièce selon l'invention vont, à présent, être décrites en lien avec les figures 10 à 12. Ces figures fournissent des résultats d'essais comparatifs entre une pièce selon l'invention et des pièces hors invention. Les pièces évaluées étaient des pièces en matériau composite à matrice organique présentant sur leur surface une résine dans laquelle des particules de différents types étaient présents à raison de plus de 20% en masse (entre 30-60% en masse dans la couche de résine de surface). Les particules présentes avaient une taille moyenne d'environ 1 pm. Dans ces figures, « R » désigne un composite carbone/époxy ne présentant pas de particules à sa surface, « 1 » désigne les résultats de la pièce selon l'invention ayant des particules de PTFE à sa surface. Les références « 2 » à « 5 » sont des composites avec des particules différentes du PTFE à leur surface.
La figure 10 fait figurer un résultat expérimental montrant l'évolution du frottement dynamique au cours de l'essai réalisé. L'essai réalisé consistait à des déplacements alternés sous effort de compression constant.
Il peut être constaté que la pièce selon l'invention comprenant les particules de PTFE présente durant l'essai de frottement un coefficient de frottement dynamique très inférieur à celui des autres pièces en matériau composite testées. Il apparaît à la figure 11 que la pièce selon l'invention a un coefficient de frottement dynamique moyen sur l'essai proche de 0,05, ce qui est très inférieur au coefficient de frottement dynamique moyen des autres pièces évaluées qui est supérieur à 0,3. La figure 12 illustre le résultat obtenu à la fin de l'essai en termes d'usure des surfaces en contact frottant des pièces évaluées. On constate que la pièce ayant le volume usé, corrigé du volume déformé par compression lors des essais, le moins important est la pièce selon l'invention.
L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Ensemble comprenant une première pièce (1) et une deuxième pièce (2) distincte de la première pièce, les première et deuxième pièces étant destinées à être en contact frottant, la première pièce étant en matériau composite à matrice organique présentant sur sa surface (S) une zone (20) résistante à l'usure par frottement comprenant une résine (24) dans laquelle sont présentes des particules (22) de polytétrafluoroéthylène, et la deuxième pièce étant en matériau composite à matrice organique et étant au contact de la zone (20) résistante à l'usure par frottement de la première pièce.
[Revendication 2] Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la première pièce (1) a une teneur massique en particules (22) de polytétrafluoroéthylène dans la zone (20) résistante à l'usure par frottement comprise entre 5% et 65%.
[Revendication 3] Ensemble selon la revendication 2, dans lequel la première pièce (1) a une teneur massique en particules (22) de polytétrafluoroéthylène dans la zone (20) résistante à l'usure par frottement comprise entre 10% et 60%.
[Revendication 4] Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première pièce (1) a une taille moyenne des particules (22) de polytétrafluoroéthylène comprise entre 0,1 pm et 50 pm.
[Revendication 5] Ensemble selon la revendication 4, dans lequel la première pièce (1) a une taille moyenne des particules (22) de polytétrafluoroéthylène comprise entre 0,5 pm et 50 pm.
[Revendication 6] Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la première pièce (1) est une pièce de turbomachine.
[Revendication 7] Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la deuxième pièce (2) présente sur sa surface une deuxième zone résistante à l'usure par frottement comprenant une deuxième résine dans laquelle sont présentes des deuxièmes particules de polytétrafluoroéthylène, la zone résistante à l'usure par frottement de la première pièce étant au contact de la deuxième zone résistante à l'usure par frottement.
[Revendication 8] Turbomachine comprenant un ensemble selon l'une des revendications 1 à 7.
[Revendication 9] Procédé de fabrication d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins :
- la formation, sur la surface (SI) d'un substrat (10) en matériau composite à matrice organique, d'une couche comprenant la résine (23) à l'état fluide et les particules (22) de polytétrafluoroéthylène,
- le durcissement de la résine à l'état fluide sur le substrat afin de former la zone (20) résistante à l'usure par frottement et obtenir la première pièce (1) en matériau composite, et
- la mise en contact de la zone résistante à l'usure par frottement de la première pièce ainsi obtenue avec la deuxième pièce (2).
[Revendication 10] Procédé de fabrication d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins :
- la formation, sur la surface (S2) d'une structure fibreuse (30) pré-imprégnée d'une composition (40) de matrice fluide, d'une couche comprenant la résine (23) à l'état fluide dans laquelle sont présentes les particules (22) de polytétrafluoroéthylène, et
- le durcissement conjoint de la résine à l'état fluide et de la composition de matrice fluide afin de former la zone (20) résistante à l'usure par frottement et obtenir la première pièce (1) en matériau composite, et
- la mise en contact de la zone résistante à l'usure par frottement de la première pièce ainsi obtenue avec la deuxième pièce (2)..
[Revendication 11] Procédé de fabrication d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins :
- la formation, sur la surface (S3) d'une structure fibreuse, d'une couche comprenant la résine (23) à l'état fluide dans laquelle sont présentes les particules (22) de polytétrafluoroéthylène,
- l'introduction d'une composition (40) de matrice fluide dans une porosité de ladite structure fibreuse (30),
- le durcissement conjoint de la résine à l'état fluide et de la composition de matrice fluide introduite afin de former la zone (20) résistante à l'usure par frottement et obtenir la première pièce (1) en matériau composite, et - la mise en contact de la zone résistante à l'usure par frottement de la première pièce ainsi obtenue avec la deuxième pièce (2).
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