EP4359364A1 - Procede de revetement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore - Google Patents

Procede de revetement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore

Info

Publication number
EP4359364A1
EP4359364A1 EP22741330.9A EP22741330A EP4359364A1 EP 4359364 A1 EP4359364 A1 EP 4359364A1 EP 22741330 A EP22741330 A EP 22741330A EP 4359364 A1 EP4359364 A1 EP 4359364A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
treatment
interphase
bar
equal
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22741330.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Adrien Delcamp
Cyril Aymonier
Nicolas BISCAY
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Safran Ceramics SA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Safran Ceramics SA
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 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux, Safran Ceramics SA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4359364A1 publication Critical patent/EP4359364A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62844—Coating fibres
    • C04B35/62857—Coating fibres with non-oxide ceramics
    • C04B35/62865—Nitrides
    • C04B35/62868—Boron nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62675—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering characterised by the treatment temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/6268—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering characterised by the applied pressure or type of atmosphere, e.g. in vacuum, hydrogen or a specific oxygen pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62886—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents by wet chemical techniques
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, e.g. by ultrasonic waves, corona discharge, irradiation, electric currents or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/003—Treatment with radio-waves or microwaves
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, e.g. by ultrasonic waves, corona discharge, irradiation, electric currents or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/04—Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/06—Inorganic compounds or elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • C04B2235/486—Boron containing organic compounds, e.g. borazine, borane or boranyl
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5244—Silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248—Carbon, e.g. graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/616—Liquid infiltration of green bodies or pre-forms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/667—Sintering using wave energy, e.g. microwave sintering
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F11/00—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
    • D01F11/10—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon
    • D01F11/12—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon with inorganic substances ; Intercalation
    • D01F11/124—Boron, borides, boron nitrides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M2101/00—Chemical constitution of the fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, to be treated
    • D06M2101/16—Synthetic fibres, other than mineral fibres

Definitions

  • the present invention relates to a process for treating at least one fibre, in particular made of ceramic and for example of silicon carbide, making it possible to coat it with an interphase of boron nitride (BN).
  • BN boron nitride
  • Ceramic matrix composite materials (“CMC materials”) have good mechanical properties making them suitable for forming structural elements and advantageously retain these properties at high temperatures. They constitute an interesting alternative compared to the metal parts commonly used, because they allow a lightening of the structure.
  • a CMC material can be produced by producing a fibrous preform whose shape is similar to that of the final part which is then densified by a ceramic matrix.
  • the functioning of a CMC material requires specific management of the interfacial bonds between fibers and matrix, in order to access the damageable nature of the final composite. This modulation of the interfaces is obtained, conventionally by interposition of an interphase between the fiber and the matrix.
  • the use of boron nitride for the interphase can be favored over pyrocarbon (PyC) for its more interesting oxidation behavior.
  • the boron nitride interphase can be deposited on the fibers of a preform already obtained by chemical vapor infiltration (“Chemical Vapor Infiltration”;
  • CVI CVI
  • BCI 3 boron trichloride
  • BF 3 boron trifluoride
  • Alternative precursors like alkylo-boranes have carbon atoms in their structure and can lead to carbon pollution in the interphase deposit.
  • the present invention relates to a process for coating at least one fiber with a boron nitride interphase, comprising treating said at least one fiber with a treatment medium comprising borazane and having a temperature greater than or equal to 100°C. and a pressure greater than or equal to 1 bar.
  • the implementation of the treatment medium makes it possible to obtain higher boron nitride interphase formation kinetics than in the CVI technique, in particular by avoiding the mass transfer phenomena encountered in the latter method.
  • the invention proposes the use of borazane (or “ammonia borane” in the Anglo-Saxon literature, of chemical formula BH 3 NH 3 ) as a precursor of the boron nitride to be obtained to produce the interphase.
  • Borazane does not present any particular danger during its implementation and constitutes a solid and stable compound under ambient conditions.
  • the formation of the boron nitride interphase is thus simplified and made safer compared to conventional CVI techniques.
  • the interphase is formed by decomposition of borazane under the effect of temperature.
  • This decomposition can make it possible to obtain hexagonal boron nitride and releases dihydrogen.
  • the dihydrogen produced by the decomposition of borazane does not present a major toxicity or safety risk. Moreover, this type of reactivity is part of a development of sustainable chemistry, in particular at the level of the economy of atoms.
  • the choice of borazane makes it possible in particular to dispense with the use of carbonaceous precursors, such as alkylo-boranes, thus avoiding the introduction of pollution into the boron nitride interphase formed.
  • the treatment medium can be in the liquid, gaseous or supercritical state.
  • the treatment medium comprises borazane dissolved in ammonia (NH3).
  • borazane has a high solubility in ammonia.
  • the invention is not limited to the use of ammonia as a solvent for the borazane for the treatment medium.
  • tetrahydrofuran critical temperature: 267° C. and critical pressure: 51.9 bar
  • ammonia as co-solvent to promote the nitriding conditions.
  • the temperature of the treatment medium may be greater than or equal to 600° C., for example between 600° C. and 1600° C.
  • the pressure of the treatment medium can be greater than or equal to 10 bar, for example between 10 bar and 300 bar.
  • the temperature of the treatment medium is between 800° C. and 1600° C., for example between 900° C. and 1600° C., and the pressure of the treatment medium is between 100 bar and 150 bar.
  • said at least one fiber is heated by microwaves during the treatment.
  • the microwave field makes it possible to bring the surface of the treated fiber to a sufficient temperature to locally achieve the desired conditions and to induce the decomposition of the borazane.
  • the microwave field allows heating the fiber as a whole in order to ensure a homogeneous formation of the interphase.
  • the energy required to form the interphase is reduced, because the fiber is heated directly and no longer the entire treatment enclosure.
  • another means of heating such as heating by radiation of a susceptor.
  • said at least one fiber circulates through a treatment enclosure during the treatment.
  • the circulation of the fiber in the treatment enclosure can take place in the same direction or against the flow of a circulation of the treatment medium.
  • said at least one fiber is made of ceramic or carbon.
  • said at least one fiber may be made of silicon carbide having an oxygen content less than or equal to 1% in atomic percentage.
  • the treatment can be carried out in a treatment enclosure and said at least one fiber can be made of silicon carbide, and said at least one fiber having been able to undergo, before the treatment, a pre-treatment for the elimination of a surface layer of the fiber, in the treatment chamber, by contact with an ammonia phase at a temperature greater than or equal to 100° C. and at a pressure greater than or equal to 1 bar.
  • the fiber is pre-treated so as to eliminate a surface layer which can reduce the quality of the adhesion of the fiber to the boron nitride interphase.
  • This characteristic uses an ammonia phase and is carried out in the same enclosure as the boron nitride interphase coating, which makes it possible to eliminate handling steps of the treated fiber, thus simplifying the process and thus reducing its duration. .
  • the temperature of the ammonia phase can be greater than or equal to 600° C., for example between 600° C. and 1600° C.
  • the pressure of the phase of ammonia can be greater than or equal to 1 bar, for example between 1 bar and 300 bar.
  • the ammonia phase can be in the gaseous, liquid or supercritical state.
  • the invention also relates to a process for manufacturing a part made of composite material, comprising at least the formation of a matrix in the porosity of a fibrous reinforcement, the fibers of the fibrous reinforcement having been coated with an interphase of nitride of boron by implementing a method as described above.
  • the fibrous reinforcement can be obtained after coating a plurality of fibers with the interphase in the manner described above.
  • the fibrous reinforcement can first be formed from a plurality of fibers, then this reinforcement is treated with the treatment medium so as to form the interphase on the fibers.
  • the composite material part can for example be a turbomachine part, for example a turbomachine blade or a turbine ring sector.
  • FIG. 1 schematically represents the treatment of a fiber in a treatment enclosure within the framework of an example of a method according to the invention.
  • Figure 2 is a sectional view showing, schematically, the structure of the treated fiber coated with the boron nitride interphase.
  • FIG. 3 schematically represents an example of a processing installation that can be used for implementing the method according to the invention.
  • Figure 4 is a sectional view showing, schematically, the structure of a silicon carbide fiber initially having a surface layer.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing, schematically, the structure of the silicon carbide fiber of FIG. 4 after removal of the surface layer and before deposition of the boron nitride interphase. Description of embodiments
  • FIG. 1 shows the treatment of a fiber 11 enabling it to be coated with an interphase of boron nitride in the context of an example of a process according to the invention.
  • the fiber 11 circulates through a treatment enclosure 10 in the direction shown by the arrow D in FIG. 1 during the treatment.
  • the deposition of the interphase in the treatment enclosure 10 can be carried out continuously without interrupting the movement of the fiber 11.
  • the fiber can be treated segment by segment, the segment to be treated being immobilized in the treatment enclosure. 10 and the interphase being deposited on this segment, then an adjacent fiber segment 11 being introduced into the enclosure 10 so as to carry out the deposition on this adjacent segment.
  • the treated fiber 11 is unwound from a reel (not shown), passes through the treatment enclosure 10 and is then wound up in the form of a reel after treatment.
  • the running speed of the fiber 11 in the treatment enclosure 10 can be between 0.1 cm/s and 50 cm/s.
  • the treatment enclosure 10 is filled with a fluid medium 20 comprising borazane.
  • the borazane can be dissolved in the fluid medium 20.
  • the fluid medium 20 can comprise a borazane solvent such as ammonia.
  • the fluid medium 20 may consist essentially of borazane and a borazane solvent.
  • the fluid medium 20 is devoid of any other atom other than B, N and H and in particular devoid of carbon so as to avoid any risk of pollution in the interphase deposit.
  • the fluid medium 20 can be in liquid form.
  • the fluid medium 20 can be pressurized, for example at a pressure greater than or equal to the critical pressure of the solvent.
  • the fiber 11 is immersed in the fluid medium 20 during its treatment in the treatment enclosure 10.
  • the fiber 11 is heated directly, for example by application of a microwave field.
  • the heating makes it possible to obtain a high temperature at least in the vicinity of the fiber 11, in order to obtain the treatment medium 22 by for example bringing the fluid medium 20 under supercritical conditions.
  • the direct heating of the fiber 11 employed makes it possible to induce the decomposition of the borazane in contact with the fiber 11 thus heated and to form the boron nitride interphase.
  • the fluid medium 20 can flow continuously through the treatment enclosure 10, or alternatively the treatment enclosure 10 can be initially filled with the fluid medium 20 and the treatment can then be carried out without any fluid medium 20 being present. introduced into the enclosure or evacuated.
  • the fluid medium 20 can be introduced into the enclosure 10 during all or part of the treatment with a flow rate of between 0.1 mL/minute and 10 mL/minute, for example between 0.1 mL/minute and 3 mL/minute.
  • the borazane molar concentration in the fluid medium 20 may be greater than or equal to 0.001 mol/L, for example between 0.001 mol/L and 10 mol/L.
  • the fiber 11 can be brought into contact with the pressurized fluid medium 20 which comprises the borazane.
  • the fiber 11 can be brought into contact with the fluid medium comprising a mixture of ammonia and borazane at a pressure of between 1 bar and 300 bar, for example between 10 bar and 300 bar, for example between 100 bar and 150 bar.
  • the heating of the fiber 11 is then initiated.
  • the treatment medium 22 is thus formed at least in the vicinity of the fiber 11.
  • the fluid medium 20 is brought at least in the vicinity of the fiber to a temperature sufficient to decompose the borazane and form the boron nitride.
  • the fluid medium 20 can be brought at least in the vicinity of the fiber to a temperature greater than or equal to 600° C., for example greater than or equal to 800° C. or greater than or equal to 800° C. equal to 900°C.
  • This temperature can be between 600°C and 1600°C or between 800°C and 1600°C or between 900°C and 1600°C.
  • the interphase 24 may have a thickness e24 greater than or equal to 1 nm, for example greater than or equal to 10 nm. This thickness e24 can be between 10 nm and 1 mm, for example between 10 nm and 10 ⁇ m.
  • the interphase 24 obtained has a controlled and homogeneous thickness over the entire circumference of the treated fiber with a boron:nitrogen stoichiometric ratio close to unity.
  • the boron nitride obtained may be crystalline. The use of a crystalline material is advantageous in order to increase the deflection properties of the cracks.
  • a hexagonal boron nitride interphase can be obtained.
  • the duration of the coating treatment with the boron nitride interphase can be greater than or equal to 10 seconds, for example between 10 seconds and 30 minutes, for example between 1 minute and 10 minutes.
  • the treatment enclosure 10 can be cleaned by injecting the solvent under pressure. It is possible, for example, to inject liquid ammonia at a flow rate of between 0.5 mL/minute and 10 mL/minute in order to remove the excess borazane which has not reacted.
  • the treated fiber 11 can be ceramic or carbon.
  • the fiber 11 can be made of silicon carbide optionally having an oxygen content less than or equal to 1% in atomic percentage.
  • Si-C-O fibers which have a higher oxygen content can be treated.
  • each fiber may be in the form of a roving comprising a plurality of filaments.
  • the interphase is formed either on a fiber or several fibers not bonded together but on an already formed texture comprising a plurality of fibers, mobile or immobile in the treatment enclosure.
  • the fibers can be treated in any form whatsoever, for example yarns, rovings, strands, cables, fabrics, felts, mats and even two- or three-dimensional textures.
  • the fibers treated according to the process of the invention can advantageously be used for the production of fiber preforms of composite material parts. The conditions which were described above for the deposition of the interphase remain applicable regardless of the form in which the fiber or fibers are treated.
  • FIG. 3 which will be described below illustrates, more completely, an example of an installation which can be implemented for carrying out a method according to the invention.
  • the installation 1 illustrated in FIG. 3 comprises a syringe pump 4, making it possible to work at constant flow rate or pressure. It further comprises a device for generating microwaves making it possible to heat the fiber 11 by means of this radiation as well as a tube 9 made of a material transparent to the microwaves containing the fiber 11 to be heated.
  • the installation 1 comprises a pressure regulator 15 which makes it possible to fix the pressure in the whole of the device when the syringe pump operates at a constant flow rate.
  • the reservoir 6 is initially filled with borazane and then connected to the rest of the device.
  • the syringe pump 4 is filled with the solvent and cooled by means of a cryostat.
  • the syringe pump 4 is then opened, the valves 7, 8, 13 and 14 being closed.
  • the syringe pump operates at constant pressure and thus fills reservoir 6 with ammonia at working pressure.
  • the tank valve 5 is then closed and the valve 7 opened, which puts the entire device under pressure.
  • valve 13 is opened and the syringe pump is used in constant flow mode. The pressure is thus fixed by means of the pressure regulator 15.
  • valve 7 is closed and the tank valve 5 and the valve 8 are opened to inject the solution composed of borazane and solvent into the treatment enclosure 10.
  • the microwave heating device is used to bring the fiber 11 contained in the enclosure 10 to the working temperature for a given time.
  • solvent under pressure is injected (using the syringe pump) to evacuate any traces of precursor that may remain.
  • FIG. 4 very schematically illustrates the section of a fiber 16 of silicon carbide, before the pre-treatment, which may have an oxygen content less than or equal to 1% in atomic percentage.
  • the fiber 16 has a surface layer 12 comprising a silicon oxycarbide (compound based on silicon, carbon and oxygen) and/or carbon which it is preferable to remove before deposition of the interphase 24 of silicon nitride. boron.
  • the thickness el2 of the surface layer 12 may generally be between 1 nm and 1 mm, for example between 1 nm and 1 ⁇ m.
  • Silicon carbide fiber 16 consists of a silicon carbide core 11 and a surface layer 12 located close to the surface of fiber 16.
  • Surface layer 12 has a heterogeneous surface state. The surface layer 12 may be responsible for a reduction in the quality of the adhesion of the fiber to a coating covering it.
  • the surface layer 12 can be removed by bringing the fiber 16 into contact with an ammonia phase at a temperature between 600° C. and 1600° C. and a pressure between 1 bar and 300 bar. As described above, the fiber 16 can first be brought into contact with ammonia under pressure, at a pressure between 1 bar and 300 bar, then the heating of the fiber can be carried out and thus proceed to the elimination of the surface layer 12.
  • the ammonia may or may not be injected continuously into the enclosure 10 during the pre-treatment.
  • the surface carbon of the fiber 16 can react with the ammonia so as to form hydrogen cyanide (HCN) which is evacuated. Oxycarbon compounds are also eliminated by the ammonia medium.
  • the fiber 11 is thus obtained with an improved surface condition which is then intended to be coated by the interphase 24 with boron nitride, as described above.
  • the duration of the pre-processing can be greater than or equal to 10 seconds, for example between 5 minutes and 30 minutes.
  • the advantage of this pre-treatment is to carry out the step of removing heterogeneities and of interphase coating in the same enclosure 10, which makes it possible to dispense with putting the fiber back into the ambient air and reduce handling.
  • the solvent for the borazane is ammonia
  • the fact of using the same medium for the pre-treatment and the solvent makes it possible to eliminate any problem of chemical compatibility between the two stages.
  • the coating treatment with a boron nitride interphase has just been described, optionally having carried out before this coating step a pre-treatment aimed at eliminating the surface heterogeneities of the fibre(s).
  • a pre-treatment aimed at eliminating the surface heterogeneities of the fibre(s) has just been described, optionally having carried out before this coating step a pre-treatment aimed at eliminating the surface heterogeneities of the fibre(s).
  • the following describes the continuation of the process making it possible to obtain a part made of composite material from the fibers thus treated.
  • Fibers obtained after the treatment described above can then be used to form a fibrous preform of the part to be obtained.
  • the formation of the fibrous preform makes use of textile operations which are known per se, for example weaving, possibly three-dimensional weaving.
  • the preform can for example have an "interlock" weave, that is to say a weave weave in which each layer of weft yarns binds several layers of warp yarns with all the yarns of the same column of frame having the same movement in the plane of the weave.
  • Other types of three-dimensional weaving could of course be used to manufacture the preform.
  • the preform is first formed from fibers, then the boron nitride interphase is deposited as described above on the fibers of the preform thus obtained.
  • the method can continue with the formation of at least one matrix phase in the pores of the fiber preform, the fibers of which are coated with the boron nitride interphase.
  • the matrix obtained may be at least partially made of ceramic, for example mainly in ceramic mass, for example entirely made of ceramic.
  • the formation of the matrix implements techniques which are known per se, being for example carried out by liquid densification technique (impregnation with a precursor resin of the matrix and transformation by crosslinking and pyrolysis, the process being able to be repeated) or by a gaseous route (chemical infiltration in the vapor phase of the matrix), or even by a technique of infiltration in the molten state (“Melt-Infiltration”; “MI”).
  • the invention applies in particular to the production of parts in composite material with a ceramic matrix formed by a fibrous reinforcement in silicon carbide fibers densified by a ceramic matrix, in particular carbide, nitride or refractory oxide.
  • CMC materials are SiC-SiC materials (silicon carbide fiber reinforcement and silicon carbide matrix).
  • the part obtained can be a turbomachine, aeronautical or industrial part.
  • This part can be a turbomachine blade or a turbine ring sector, for example.
  • a fiber was passed through a processing chamber 10 shown schematically in FIG. 1 which had a volume of 1 cm 3 .
  • the treated fiber was a silicon carbide fiber having an oxygen content less than or equal to 1% in atomic percentages, corresponding to a fiber marketed under the reference “Hi-Nicalon S”.
  • the fiber had on the surface before treatment a superficial layer 12 having a thickness of approximately 100 nm.
  • a fiber pre-treatment step was first carried out by subjecting it in enclosure 10 to a supercritical ammonia phase.
  • the fiber was heated by a microwave field bringing it to a temperature of 1000°C and the supercritical ammonia phase was brought to a pressure of 120 bar.
  • Ammonia was injected into the treatment enclosure continuously during the pre-treatment with a flow rate of 6 mL/min and the fiber moved at a speed of 30 cm/minute. There was thus obtained a pickled surface of silicon carbide fiber as shown in Figure 5.
  • the boron nitride interphase was then deposited on the fiber thus pickled in the same treatment enclosure.
  • the fiber moved through the treatment chamber at a speed of 30 cm/minute.
  • a mixture of ammonia and borazane present in a molar concentration of 1 moL/L in the mixture was introduced continuously into the treatment enclosure with a flow rate of 1 mL/min.
  • the surface of the fiber was brought to a temperature of 1100°C by the microwave field and the fluid medium was at a pressure of 120 bar.
  • the treatment was carried out for a period of 15 minutes and a BN interphase of 1000 nm was thus obtained on the surface of the silicon carbide fiber.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un procédé de revêtement d'au moins une fibre (11) par une interphase de nitrure de bore, comprenant le traitement de ladite au moins une fibre par un milieu de traitement (22) comprenant du borazane et ayant une température supérieure ou égale à 100°C et une pression supérieure ou égale à 1 bar.

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de revêtement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore
Domaine Technique
La présente invention concerne un procédé de traitement d'au moins une fibre, notamment en céramique et par exemple en carbure de silicium, permettant de la revêtir par une interphase de nitrure de bore (BN).
Technique antérieure
Les matériaux composites à matrice céramique (« matériaux CMC ») présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. Ils constituent une alternative intéressante par rapport aux pièces métalliques couramment utilisées, car ils permettent un allégement de la structure.
Un matériau CMC peut être réalisé par élaboration d'une préforme fibreuse dont la forme est similaire à celle de la pièce finale qui est ensuite densifiée par une matrice céramique. Le fonctionnement d'un matériau CMC nécessite une gestion spécifique des liaisons interfaciales entre fibres et matrice, afin d'accéder au caractère endommageable du composite final. Cette modulation des interfaces est obtenue, classiquement par interposition d'une interphase entre la fibre et la matrice. Dans le cadre d'applications thermostructurales, l'emploi de nitrure de bore pour l'interphase peut être privilégié par rapport au pyrocarbone (PyC) pour son comportement à l'oxydation plus intéressant.
L'interphase de nitrure de bore peut être déposée sur les fibres d'une préforme déjà obtenue par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ;
« CVI »). Cette technique présente une cinétique de dépôt relativement lente qui augmente le temps de fabrication ainsi que son coût. Une problématique de la technique CVI est le transfert de masse des espèces réactives vers le cœur du substrat, qui peut limiter les cinétiques de dépôt. Par ailleurs, la technique CVI peut induire des réactivités différentes au cœur et à l'extérieur de la préforme, pouvant conduire à des hétérogénéités de matériaux obtenus. Le nitrure de bore peut être obtenu par CVI à partir de trichlorure de bore (BCI3) ou trifluorure de bore (BF3) qui sont des composés toxiques. Des précurseurs alternatifs comme les alkylo-boranes possèdent des atomes de carbone dans leur structure et peuvent conduire à une pollution carbonée dans le dépôt d'interphase.
Il est souhaitable de disposer de procédés de formation d'une interphase de nitrure de bore s'affranchissant de l'emploi de précurseurs trichlorure de bore et trifluorure de bore et limitant les pollutions dans le dépôt. En outre, il est souhaitable que ces procédés présentent une cinétique de dépôt plus élevée que le procédé CVI tout en produisant un revêtement homogène.
Exposé de l'invention
La présente invention concerne un procédé de revêtement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore, comprenant le traitement de ladite au moins une fibre par un milieu de traitement comprenant du borazane et ayant une température supérieure ou égale à 100°C et une pression supérieure ou égale à 1 bar.
La mise en œuvre du milieu de traitement permet d'obtenir une cinétique de formation de l'interphase de nitrure de bore plus élevée que dans la technique CVI, en s'affranchissant en particulier des phénomènes de transferts de masse rencontrés dans cette dernière méthode. L'invention propose l'emploi de borazane (ou « ammonia borane » dans la littérature anglosaxonne, de formule chimique BH3NH3) en tant que précurseur du nitrure de bore à obtenir pour réaliser l'interphase. Le borazane ne présente pas de dangerosité particulière lors de sa mise en œuvre et constitue un composé solide et stable aux conditions ambiantes. La formation de l'interphase de nitrure de bore est ainsi simplifiée et rendue plus sécuritaire par rapport aux techniques CVI classiques. L'interphase est formée par décomposition du borazane sous l'effet de la température. Cette décomposition peut permettre d'obtenir du nitrure de bore hexagonal et libère du dihydrogène. Le dihydrogène produit par la décomposition du borazane ne présente pas de risque majeur de toxicité ou sécurité. De plus, ce type de réactivité s'inscrit dans un développement de chimie durable, notamment au niveau de l'économie d'atomes. En outre, le choix du borazane permet en particulier de s'affranchir de l'emploi de précurseurs carbonés, comme les alkylo-boranes, évitant ainsi l'introduction de pollution dans l'interphase de nitrure de bore formée. Le milieu de traitement peut être à l'état liquide, gazeux ou supercritique.
Dans un exemple de réalisation, le milieu de traitement comprend du borazane dissous dans de l'ammoniac (NH3).
Une telle caractéristique est avantageuse car le borazane présente une solubilité élevée dans l'ammoniac. Néanmoins, l'invention n'est pas limitée à l'emploi d'ammoniac comme solvant du borazane pour le milieu de traitement. On peut ainsi en variante utiliser du tétrahydrofurane (THF) (température critique : 267°C et pression critique : 51,9 bar) comme solvant du borazane, éventuellement avec de l'ammoniac en co-solvant pour favoriser les conditions de nitruration.
En particulier, notamment dans le cas où l'ammoniac est utilisé comme solvant du borazane, la température du milieu de traitement peut être supérieure ou égale à 600°C, par exemple comprise entre 600°C et 1600°C, et la pression du milieu de traitement peut être supérieure ou égale à 10 bar, par exemple comprise entre 10 bar et 300 bar.
Plus particulièrement, notamment dans le cas où l'ammoniac est utilisé comme solvant du borazane, la température du milieu de traitement est comprise entre 800°C et 1600°C, par exemple entre 900 °C et 1600°C, et la pression du milieu de traitement est comprise entre 100 bar et 150 bar.
Ces conditions constituent un compromis permettant de mettre à profit la forte solubilité du borazane tout en profitant d'un transfert de matière amélioré et donc de cinétiques de dépôt plus élevées. Par ailleurs, ces pressions sont envisageables pour un développement industriel du procédé.
Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une fibre est chauffée par micro ondes durant le traitement.
Le champ micro-ondes permet de porter la surface de la fibre traitée à une température suffisante permettant d'atteindre localement les conditions souhaitées et d'induire la décomposition du borazane. Le champ micro-ondes permet de chauffer la fibre dans son ensemble afin d'assurer une formation homogène de l'interphase. En outre, l'énergie nécessaire pour former l'interphase est réduite, car on chauffe directement la fibre et non plus l'enceinte de traitement en entier. On ne sort néanmoins pas du cadre de l'invention si un autre moyen de chauffage est utilisé, comme un chauffage par rayonnement d'un suscepteur.
Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une fibre circule au travers d'une enceinte de traitement durant le traitement. La circulation de la fibre dans l'enceinte de traitement peut se faire dans le même sens ou à contre-courant d'une circulation du milieu de traitement.
L'emploi du milieu de traitement qui permet de s'affranchir des limitations par transferts de masse et d'accélérer la cinétique de dépôt est particulièrement avantageux pour réaliser le dépôt en continu sur une fibre défilant dans l'enceinte de traitement, et ainsi améliorer fortement les cadences de formation de l'interphase. Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une fibre est en céramique ou en carbone.
En particulier, ladite au moins une fibre peut être en carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique.
En particulier, le traitement peut être réalisé dans une enceinte de traitement et ladite au moins une fibre peut être en carbure de silicium, et ladite au moins une fibre ayant pu subir, avant le traitement, un pré-traitement d'élimination d'une couche superficielle de la fibre, dans l'enceinte de traitement, par mise en contact avec une phase d'ammoniac à une température supérieure ou égale à 100°C et à une pression supérieure ou égale à 1 bar.
Dans ce cas, la fibre est pré-traitée de sorte à éliminer une couche superficielle qui peut diminuer la qualité de l'adhésion de la fibre à l'interphase de nitrure de bore. Cette caractéristique emploie une phase d'ammoniac et est réalisée dans la même enceinte que le revêtement par l'interphase de nitrure de bore, ce qui permet de supprimer des étapes de manipulation de la fibre traitée, simplifiant ainsi le procédé et diminuant ainsi sa durée.
En particulier, la température de la phase d'ammoniac peut être supérieure ou égale à 600°C, par exemple comprise entre 600°C et 1600°C, et la pression de la phase d'ammoniac peut être supérieure ou égale à 1 bar, par exemple comprise entre 1 bar et 300 bar. La phase d'ammoniac peut être à l'état gazeux, liquide ou supercritique.
L'invention vise également un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant au moins la formation d'une matrice dans la porosité d'un renfort fibreux, les fibres du renfort fibreux ayant été revêtues d'une interphase de nitrure de bore par mise en œuvre d'un procédé tel que décrit plus haut.
On notera que le renfort fibreux peut être obtenu après revêtement d'une pluralité de fibres par l'interphase de la manière décrite plus haut. En variante, le renfort fibreux peut d'abord être formé à partir d'une pluralité de fibres, puis ce renfort est traité par le milieu de traitement de sorte à former l'interphase sur les fibres.
La pièce en matériau composite peut par exemple être une pièce de turbomachine, par exemple une aube de turbomachine ou un secteur d'anneau de turbine.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique, le traitement d'une fibre dans une enceinte de traitement dans le cadre d'un exemple de procédé selon l'invention.
[Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe représentant, de manière schématique, la structure de la fibre traitée revêtue par l'interphase de nitrure de bore.
[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique, un exemple d'installation de traitement utilisable pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
[Fig. 4] La figure 4 est une vue en coupe représentant, de manière schématique, la structure d'une fibre de carbure de silicium ayant initialement une couche superficielle.
[Fig. 5] La figure 5 est une vue en coupe représentant, de manière schématique, la structure de la fibre de carbure de silicium de la figure 4 après élimination de la couche superficielle et avant dépôt de l'interphase de nitrure de bore. Description des modes de réalisation
On a représenté à la figure 1 le traitement d'une fibre 11 permettant de la revêtir par une interphase de nitrure de bore dans le cadre d'un exemple de procédé selon l'invention.
Dans l'exemple considéré, la fibre 11 circule au travers d'une enceinte de traitement 10 dans le sens matérialisé par la flèche D à la figure 1 durant le traitement. Le dépôt de l'interphase dans l'enceinte de traitement 10 peut être réalisé en continu sans interruption du mouvement de la fibre 11. On peut en variante traiter la fibre segment par segment, le segment à traiter étant immobilisé dans l'enceinte de traitement 10 et l'interphase étant déposée sur ce segment, puis un segment de fibre 11 adjacent étant introduit dans l'enceinte 10 de sorte à réaliser le dépôt sur ce segment adjacent. La fibre 11 traitée est déroulée depuis une bobine (non représentée), passe dans l'enceinte de traitement 10 puis est enroulée sous forme de bobine après traitement. La vitesse de défilement de la fibre 11 dans l'enceinte de traitement 10 peut être comprise entre 0,1 cm/s et 50 cm/s.
L'enceinte de traitement 10 est remplie par un milieu fluide 20 comprenant du borazane. Le borazane peut être dissous dans le milieu fluide 20. Le milieu fluide 20 peut comprendre un solvant du borazane tel que l'ammoniac. Le milieu fluide 20 peut être constitué essentiellement par du borazane et un solvant du borazane. Avantageusement, le milieu fluide 20 est dépourvu de tout autre atome autre que B, N et H et en particulier dépourvu de carbone de sorte à éviter tout risque de pollution dans le dépôt d'interphase. Le milieu fluide 20 peut être sous forme liquide. Le milieu fluide 20 peut être pressurisé, par exemple à une pression supérieure ou égale à la pression critique du solvant. La fibre 11 est immergée dans le milieu fluide 20 lors de son traitement dans l'enceinte de traitement 10. Dans l'exemple illustré, la fibre 11 est chauffée directement, par exemple par application d'un champ micro ondes. Le chauffage permet d'obtenir une température élevée au moins au voisinage de la fibre 11, afin d'obtenir le milieu de traitement 22 en portant par exemple le milieu fluide 20 dans des conditions supercritiques. Le chauffage direct de la fibre 11 employé permet d'induire la décomposition du borazane au contact de la fibre 11 ainsi chauffée et de former l'interphase de nitrure de bore. Le milieu fluide 20 peut circuler en continu au travers de l'enceinte de traitement 10, ou en variante l'enceinte de traitement 10 peut être initialement remplie du milieu fluide 20 et le traitement peut alors être effectué sans que du milieu fluide 20 ne soit introduit dans l'enceinte ou évacué. Dans le cas où il y a circulation en continu du milieu fluide, on peut imposer durant tout ou partie du traitement un rapport [débit de milieu fluide introduit dans l'enceinte] / [volume de l'enceinte] supérieur ou égal à 0,00016 s 1, par exemple compris entre 0,00016 s 1 et 0,16 s 1 ou entre 0,0016 s 1 et 0,016 s 1 ou entre 0,0016 s 1 et 0,16 s 1. Par exemple pour une enceinte de traitement 10 ayant un volume compris entre 0,1 mL et 100 mL, le milieu fluide 20 peut être introduit dans l'enceinte 10 durant tout ou partie du traitement avec un débit compris entre 0,1 mL/minute et 10 mL/minute, par exemple compris entre 0,1 mL/minute et 3 mL/minute. D'une manière générale, la concentration molaire en borazane dans le milieu fluide 20 peut être supérieure ou égale à 0,001 mol/L, par exemple comprise entre 0,001 mol/L et 10 mol/L.
Afin de réaliser le dépôt d'interphase, la fibre 11 peut être mise en contact avec le milieu fluide 20 pressurisé qui comprend le borazane. Dans le cas de l'ammoniac utilisé comme solvant, la fibre 11 peut être mise en contact avec le milieu fluide comprenant un mélange d'ammoniac et de borazane à une pression comprise entre 1 bar et 300 bar, par exemple entre 10 bar et 300 bar, par exemple entre 100 bar et 150 bar. Le chauffage de la fibre 11 est ensuite initié. On forme ainsi le milieu de traitement 22 au moins au voisinage de la fibre 11. Le milieu fluide 20 est porté au moins au voisinage de la fibre à une température suffisante pour décomposer le borazane et former le nitrure de bore. Par exemple dans le cas de l'ammoniac utilisé comme solvant, le milieu fluide 20 peut être porté au moins au voisinage de la fibre à une température supérieure ou égale à 600°C, par exemple supérieure ou égale à 800°C ou supérieure ou égale à 900°C. Cette température peut être comprise entre 600°C et 1600°C ou entre 800°C et 1600°C ou entre 900°C et 1600°C.
On obtient ainsi une interphase 24 de nitrure de bore déposée au contact de la surface S de la fibre 11. L'interphase 24 peut avoir une épaisseur e24 supérieure ou égale à 1 nm, par exemple supérieure ou égale à 10 nm. Cette épaisseur e24 peut être comprise entre 10 nm et 1 mm, par exemple entre 10 nm et 10 pm. L'interphase 24 obtenue présente une épaisseur contrôlée et homogène sur toute la circonférence de la fibre traitée avec un rapport stoechiométrique bore : azote proche de l'unité. Le nitrure de bore obtenu peut être cristallin. L'emploi d'un matériau cristallin est avantageux afin d'augmenter les propriétés de déflection des fissures. On peut obtenir une interphase en nitrure de bore hexagonal.
La durée du traitement de revêtement par l'interphase de nitrure de bore peut être supérieure ou égale à 10 secondes, par exemple comprise entre 10 secondes et 30 minutes, par exemple entre 1 minute et 10 minutes.
Une fois l'interphase déposée, l'enceinte de traitement 10 peut être nettoyée par injection du solvant sous pression. On peut par exemple injecter de l'ammoniac liquide à un débit compris entre 0,5 mL/minute et 10 mL/minute afin de retirer l'excès de borazane n'ayant pas réagi.
La fibre 11 traitée peut être en céramique ou en carbone. La fibre 11 peut être en carbure de silicium présentant éventuellement une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. A titre d'exemple de telles fibres, on peut citer les fibres commercialisées sous la référence « Hi-Nicalon S » ou « Hi-Nicalon ». On peut en variante traiter des fibres Si-C-0 qui présentent une teneur en oxygène supérieure. A titre d'exemple de telles fibres, on peut citer les fibres commercialisées sous la référence « Nicalon ».
On vient de décrire un exemple d'un procédé selon l'invention dans lequel une fibre 11 est traitée mais on ne sort bien entendu pas du cadre de l'invention si plusieurs fibres sont traitées simultanément de sorte à former l'interphase 24 sur chacune d'entre elles. On notera que chaque fibre peut être sous la forme d'une mèche comprenant une pluralité de filaments. On ne sort pas non plus du cadre de l'invention si l'on forme l'interphase non plus sur une fibre ou plusieurs fibres non liées entre elles mais sur une texture déjà formée comprenant une pluralité de fibres, mobile ou immobile dans l'enceinte de traitement. Ainsi, les fibres peuvent être traitées sous quelque forme que ce soit, par exemple fils, mèches, torons, câbles, tissus, feutres, mats et même textures bi- ou tridimensionnelles. Les fibres traitées selon le procédé de l'invention peuvent avantageusement être utilisées pour la réalisation de préformes fibreuses de pièce en matériau composite. Les conditions qui ont été décrites plus haut pour le dépôt de l'interphase demeurent applicables quelle que soit la forme sous laquelle la ou les fibres sont traitées.
La figure 3 qui va être décrite dans la suite illustre, de manière plus complète, un exemple d'installation qui peut être mise en œuvre pour la réalisation d'un procédé selon l'invention.
L'installation 1 illustrée à la figure 3 comprend une pompe seringue 4, permettant de travailler à débit ou pression constants. Elle comprend en outre un dispositif de génération de micro-ondes permettant de chauffer la fibre 11 au moyen de ce rayonnement ainsi qu'un tube 9 en matériau transparent aux micro-ondes contenant la fibre 11 à chauffer. L'installation 1 comprend un régulateur de pression 15 qui permet de fixer la pression dans l'ensemble du dispositif lorsque la pompe seringue fonctionne en débit constant.
Afin de réaliser le traitement de la fibre 11 de sorte à la recouvrir de l'interphase de nitrure de bore, le réservoir 6 est initialement rempli avec le borazane puis connecté au reste du dispositif. La pompe seringue 4 est remplie avec le solvant et refroidi au moyen d'un cryostat. La pompe seringue 4 est ensuite ouverte, les vannes 7, 8, 13 et 14 étant fermées. La pompe seringue fonctionne à pression constante et remplit ainsi le réservoir 6 avec de l'ammoniac à pression de travail. La vanne du réservoir 5 est ensuite fermée et la vanne 7 ouverte, ce qui met l'ensemble du dispositif sous pression. Ensuite, la vanne 13 est ouverte et la pompe seringue est utilisée en mode débit constant. La pression est ainsi fixée au moyen du régulateur de pression 15. Une fois la pression dans le système stabilisée, la vanne 7 est fermée et la vanne du réservoir 5 et la vanne 8 sont ouvertes pour injecter la solution composée de borazane et de solvant dans l'enceinte de traitement 10. Lorsque le fonctionnement en débit constant est stabilisé, le dispositif de chauffage micro-ondes est utilisé pour porter la fibre 11 contenue dans l'enceinte 10 à température de travail durant un temps donné. Lorsque la totalité du précurseur a été injectée, du solvant sous pression est injecté (au moyen de la pompe seringue) pour évacuer toutes traces de précurseur pouvant subsister.
On vient de décrire le revêtement d'une fibre par une interphase de nitrure de bore et un exemple d'installation permettant la mise en œuvre de ce procédé. La suite s'attache à décrire un mode de réalisation optionnel en lien avec les figures 4 et 5 dans lequel on réalise un pré-traitement de la fibre de sorte à éliminer une couche superficielle afin d'améliorer la liaison avec l'interphase de nitrure de bore.
La figure 4 illustre très schématiquement la section d'une fibre 16 de carbure de silicium, avant le pré-traitement, qui peut présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. La fibre 16 présente une couche superficielle 12 comprenant un oxycarbure de silicium (composé à base de silicium, de carbone et d'oxygène) et/ou du carbone qu'il est préférable d'éliminer avant dépôt de l'interphase 24 de nitrure de bore. L'épaisseur el2 de la couche superficielle 12 peut être généralement comprise entre 1 nm et 1 mm, par exemple entre 1 nm et 1 pm. La fibre de carbure de silicium 16 est constituée d'un cœur 11 en carbure de silicium et d'une couche superficielle 12 située au voisinage de la surface de la fibre 16. La couche superficielle 12 présente un état de surface hétérogène. La couche superficielle 12 peut être responsable d'une diminution de la qualité de l'adhésion de la fibre à un revêtement la recouvrant.
La couche superficielle 12 peut être éliminée par mise en contact de la fibre 16 avec une phase d'ammoniac à une température comprise entre 600°C et 1600°C et une pression comprise entre 1 bar et 300 bar. Comme décrit plus haut, la fibre 16 peut d'abord être mise en contact avec de l'ammoniac sous pression, à une pression comprise entre 1 bar et 300 bar, puis le chauffage de la fibre peut être réalisé et procéder ainsi à l'élimination de la couche superficielle 12. L'ammoniac peut ou non être injecté en continu dans l'enceinte 10 durant le pré-traitement. Dans le cas où il y a circulation en continu d'un milieu fluide comprenant l'ammoniac, on peut imposer durant tout ou partie du traitement un rapport [débit de milieu fluide introduit dans l'enceinte] / [volume de l'enceinte] supérieur ou égal à 0,00016 s 1, par exemple compris entre 0,00016 s 1 et 0,16 s 1 ou entre 0,0016 s 1 et 0,16 s 1 ou entre 0,0016 s 1 et 0,016 s 1. Le carbone superficiel de la fibre 16 peut réagir avec l'ammoniac de sorte à former du cyanure d'hydrogène (HCN) qui est évacué. Les composés oxycarbures sont également éliminés par le milieu ammoniacal. On obtient ainsi la fibre 11 avec un état de surface amélioré qui est destinée à être ensuite revêtue par l'interphase 24 de nitrure de bore, comme décrit plus haut. La durée du pré traitement peut être supérieure ou égale à 10 secondes, par exemple comprise entre 5 minutes et 30 minutes. L'avantage de ce pré-traitement est de réaliser l'étape de retrait des hétérogénéités et de revêtement d'interphase dans la même enceinte 10 ce qui permet de s'affranchir d'une remise à l'air ambiant de la fibre et de réduire les manipulations. En outre dans le cas où le solvant du borazane est l'ammoniac, le fait d'utiliser le même milieu pour le pré-traitement et le solvant permet de supprimer toute problématique de compatibilité chimique entre les deux étapes.
On vient de décrire le traitement de revêtement par une interphase de nitrure bore en ayant éventuellement réalisé avant cette étape de revêtement un pré-traitement visant à éliminer les hétérogénéités de surface de la ou des fibres. La suite s'attache à décrire la suite du procédé permettant d'obtenir une pièce en matériau composite à partir des fibres ainsi traitées.
Des fibres obtenues après traitement décrit plus haut peuvent ensuite être utilisées pour former une préforme fibreuse de la pièce à obtenir. La formation de la préforme fibreuse fait appel à des opérations textiles qui sont connues en soi, par exemple de tissage, éventuellement de tissage tridimensionnel. Ainsi, la préforme peut par exemple présenter une armure « interlock », c'est-à-dire une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d’une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l’armure. D’autres types de tissage tridimensionnel pourront bien entendu être utilisés pour fabriquer la préforme. Comme indiqué plus haut, on ne sort pas du cadre de l'invention si la préforme est d'abord formée à partir de fibres, puis que l'interphase de nitrure de bore est déposée comme décrit plus haut sur les fibres de la préforme ainsi obtenue.
Le procédé peut se poursuivre par la formation d'au moins une phase de matrice dans la porosité de la préforme fibreuse dont les fibres sont revêtues de l'interphase de nitrure de bore. La matrice obtenue peut être au moins partiellement en céramique, par exemple majoritairement en masse en céramique, par exemple intégralement en céramique. La formation de la matrice met en œuvre des techniques qui sont connues en soi, étant par exemple réalisée par technique de densification par voie liquide (imprégnation par une résine précurseur de la matrice et transformation par réticulation et pyrolyse, le processus pouvant être répété) ou par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur de la matrice), ou encore par technique d'infiltration à l'état fondu (« Melt-Infiltration » ; « MI »).
L’invention s'applique notamment à la réalisation de pièces en matériau composite à matrice céramique formées par un renfort fibreux en fibres de carbure de silicium densifié par une matrice céramique, notamment carbure, nitrure ou oxyde réfractaire. Des exemples typiques de tels matériaux CMC sont les matériaux SiC-SiC (renfort en fibres de carbure de silicium et matrice en carbure de silicium).
La pièce obtenue peut être une pièce de turbomachine, aéronautique ou industrielle. Cette pièce peut être une aube de turbomachine ou un secteur d'anneau de turbine, par exemple.
Exemple
Une fibre a été mise en défilement au travers d'une enceinte de traitement 10 schématisée à la figure 1 qui avait un volume de 1 cm3. La fibre traitée était une fibre de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentages atomiques, correspondant à une fibre commercialisée sous la référence « Hi-Nicalon S ». La fibre présentait en surface avant traitement une couche superficielle 12 ayant une épaisseur de 100 nm environ.
Une étape de pré-traitement de la fibre a tout d'abord été réalisée en la soumettant dans l'enceinte 10 à une phase d'ammoniac supercritique. Durant le pré-traitement, la fibre était chauffée par un champ micro-ondes permettant de la porter à une température de 1000 °C et la phase d'ammoniac supercritique était portée à une pression de 120 bar. L'ammoniac était injecté dans l'enceinte de traitement en continu durant le pré-traitement avec un débit de 6 mL/min et la fibre défilait à une vitesse de 30 cm/minute. On a ainsi obtenu une surface décapée de fibre de carbure de silicium comme représenté à la figure 5.
On a alors procédé au dépôt de l'interphase de nitrure de bore sur la fibre ainsi décapée dans la même enceinte de traitement. Durant ce dépôt, la fibre défilait dans l'enceinte de traitement à une vitesse de 30 cm/minute. Un mélange d'ammoniac et de borazane présent en une concentration molaire de 1 moL/L dans le mélange était introduit en continu dans l'enceinte de traitement avec un débit de 1 mL/min. Durant le traitement, la surface de la fibre a été portée à une température 1100 °C par le champ micro-ondes et le milieu fluide était à une pression de 120 bar. Le traitement a été réalisé pendant une durée de 15 minutes et une interphase de BN de 1000 nm a ainsi été obtenue sur la surface de la fibre de carbure de silicium.
L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de revêtement d'au moins une fibre (11) par une interphase (24) de nitrure de bore, comprenant le traitement de ladite au moins une fibre par un milieu de traitement (22) comprenant du borazane et ayant une température supérieure ou égale à 100°C et une pression supérieure ou égale à 1 bar.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel le milieu traitement (22) comprend du borazane dissous dans de l'ammoniac.
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température du milieu de traitement (22) est supérieure ou égale à 600°C, et la pression du milieu de traitement est supérieure ou égale à 10 bar.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 3, dans lequel la température du milieu de traitement est comprise entre 800°C et 1600°C, et la pression du milieu de traitement est comprise entre 100 bar et 150 bar.
[Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moins une fibre (11) est chauffée par micro-ondes durant le traitement.
[Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite au moins une fibre (11) circule au travers d'une enceinte (10) de traitement durant le traitement.
[Revendication 7] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite au moins une fibre (11) est en céramique ou en carbone.
[Revendication 8] Procédé selon la revendication 7, dans lequel le traitement est réalisé dans une enceinte de traitement (10) et ladite au moins une fibre (11) est en carbure de silicium, et dans lequel ladite au moins une fibre a subi, avant le traitement, un pré-traitement d'élimination d'une couche superficielle (12) de la fibre, dans l'enceinte de traitement, par mise en contact avec une phase d'ammoniac à une température supérieure ou égale à 100°C et à une pression supérieure ou égale à 1 bar.
[Revendication 9] Procédé selon la revendication 8, dans lequel la température de la phase d'ammoniac est comprise entre 600°C et 1600°C, et la pression de la phase d'ammoniac est comprise entre 1 bar et 300 bar.
[Revendication 10] Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant au moins la formation d'une matrice dans la porosité d'un renfort fibreux, les fibres (11) du renfort fibreux ayant été revêtues d'une interphase (24) de nitrure de bore par mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
EP22741330.9A 2021-06-23 2022-06-13 Procede de revetement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore Pending EP4359364A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2106671A FR3124507B1 (fr) 2021-06-23 2021-06-23 Procédé de revêtement d’au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore
PCT/FR2022/051129 WO2022269164A1 (fr) 2021-06-23 2022-06-13 Procede de revetement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4359364A1 true EP4359364A1 (fr) 2024-05-01

Family

ID=78332836

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22741330.9A Pending EP4359364A1 (fr) 2021-06-23 2022-06-13 Procede de revetement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore

Country Status (5)

Country Link
US (1) US12515996B2 (fr)
EP (1) EP4359364A1 (fr)
CN (1) CN118176173A (fr)
FR (1) FR3124507B1 (fr)
WO (1) WO2022269164A1 (fr)

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59007568D1 (de) * 1990-04-06 1994-12-01 Siemens Ag Verfahren zur Herstellung von mikrokristallin kubischen Bornitridschichten.
JPH07108840B2 (ja) * 1990-07-23 1995-11-22 東海カーボン株式会社 ＳｉＣウイスカーの表面改質法およびＦＲＣ焼結体の製造方法
EP0878268B1 (fr) * 1994-05-23 2002-03-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Procédé et appareil pour la production d'un semi-conducteur couvert d'une couche dure
FR2757848B1 (fr) * 1996-12-27 1999-03-26 Europ Propulsion Preformes fibreuses gainees d'un revetement bn original, composites les incorporant et leurs preparations
US7867554B2 (en) * 2005-01-06 2011-01-11 United Technologies Corporation Boron nitride coated fibers and composite articles containing same
US8709538B1 (en) * 2009-09-29 2014-04-29 The Boeing Company Substantially aligned boron nitride nano-element arrays and methods for their use and preparation
CN101928915B (zh) * 2010-06-13 2012-09-19 哈尔滨工业大学 一维纳米材料表面镀氮化硼膜的方法
US9045623B2 (en) * 2011-10-11 2015-06-02 Ph Matter, Llc Method for producing BN-based nanoparticles and products therefrom
KR101528664B1 (ko) 2013-03-22 2015-06-18 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 저압 화학기상증착방법을 이용한 단일층의 육방정계 질화붕소의 제조방법
JP2017088418A (ja) * 2015-11-02 2017-05-25 イビデン株式会社 ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料の製造方法
CN105463403B (zh) * 2015-11-24 2017-09-29 航天材料及工艺研究所 一种陶瓷基复合材料氮化硼界面涂层的制备方法
CN107161960B (zh) * 2017-06-06 2019-05-31 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种高压气相制备氮化硼球形粉体的方法与装置
CN108892521B (zh) * 2018-07-06 2021-04-02 东华大学 一种含硅硼氮界面的透波陶瓷基复合材料的制备方法
CN110240488A (zh) * 2019-06-04 2019-09-17 北京玻钢院复合材料有限公司 一种耐高温透波陶瓷基复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
FR3124507A1 (fr) 2022-12-30
CN118176173A (zh) 2024-06-11
US12515996B2 (en) 2026-01-06
US20240286963A1 (en) 2024-08-29
FR3124507B1 (fr) 2023-10-27
WO2022269164A1 (fr) 2022-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3551593B1 (fr) Outillage de conformation et installation pour l'infiltration chimique en phase gazeuse de preformes fibreuses.
EP2900623B1 (fr) Procede de fabrication d'une piece en cmc
FR2869609A1 (fr) Procede de fabrication d'une piece en materiau composite thermostructural
FR2852003A1 (fr) Procede de realisation d'une piece multiperforee en materiau composite a matrice ceramique
FR2882356A1 (fr) Procede de fabrication de piece en materiau composite a matrice ceramique et piece ainsi obtenue
CA2990173A1 (fr) Procede de traitement de fibres de carbure de silicium
FR3106829A1 (fr) Procédé de fabrication de composites à matrice céramique comprenant une interphase spécifique
EP0441700B1 (fr) Procédé de fabrication de matériau composite à renfort à base de fibres de carbone et matrice céramique
FR3074173A1 (fr) Densification d'une piece en cmc et outillage adapte
EP4359364A1 (fr) Procede de revetement d'au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore
CA3029384A1 (fr) Procede d'infiltration ou de depot chimique en phase vapeur
WO2022038324A1 (fr) Procede de depot d'un revetement sur un fil sous champ micro-ondes
WO2020120857A1 (fr) Procede d'infiltration ou de depot chimique en phase vapeur
EP4359365A1 (fr) Procede de traitement d'une fibre de carbure de silicium
FR3074169A1 (fr) Procede de traitement de fibres de carbure de silicium
EP0634378B1 (fr) Procédé pour améliorer la tenue à l'oxydation d'un matériau composite à renfort fibreux et à matrice verre, vitrocéramique ou céramique
FR3136463A1 (fr) Procédé de traitement d’au moins une fibre en céramique ou en carbone
EP2522759A1 (fr) Installation de traitement avec bain de métal fondu et rouleaux immergés
EP4161885B1 (fr) Procede de fabrication d'une piece en materiau composite a l'aide d'un promoteur d'adhesion comportant un complexe ou un acide de lewis
EP3794156A1 (fr) Procede et dispositif pour deposer un revetement sur une fibre continue
WO2002100797A1 (fr) Procede de densification et de traitement anticorrosion d'un materiau composite thermostructural
FR3162761A1 (fr) Préforme fIbreuse figée par le materieu de guipage

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20231219

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)