FR3032966A1

FR3032966A1 - Panneau d’attenuation acoustique en materiau composite a matrice ceramique et a ame metallique

Info

Publication number: FR3032966A1
Application number: FR1557081A
Authority: FR
Inventors: Arnaud Delehouze; Sylvain Sentis; Bertrand Desjoyeaux
Original assignee: Aircelle SA
Current assignee: Safran Nacelles SAS
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2016-08-26

Abstract

Procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique comprenant deux peaux extérieures (4, 6) en matériau composite à matrice céramique contenant un renfort fibreux, assemblées de chaque côté d'une âme centrale alvéolaire (2) comportant des parois (10) formant des cavités acoustiques, réalisées dans un métal ou un alliage de métaux présentant une température de fusion supérieure à la température de frittage du matériau composite, ce procédé comportant une étape d'insertion dans des cavités acoustiques d'un matériau de remplissage fugitif laissant libre dans chaque cavité, de chaque côté contre la peau, un espace annulaire faisant le tour de cette cavité, et une étape de frittage du matériau composite réalisant une élimination du matériau fugitif, avec un remplissage par le matériau composite des espaces autour des cavités.

Description

1 La présente invention concerne le domaine des panneaux d'atténuation acoustique, notamment destinés à équiper les zones chaudes d'éjection des gaz d'un turboréacteur d'aéronef. L'invention concerne plus spécifiquement un procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique, ainsi qu'un panneau d'atténuation acoustique obtenu avec un tel procédé, et un turboréacteur d'aéronef comportant un panneau d'atténuation acoustique selon l'invention. Les turboréacteurs comportent des surfaces de guidage aérodynamiques de l'écoulement des gaz chauds éjectés, qui peuvent être soumises à des 10 températures élevées pouvant dépasser 600°C, et atteindre dans certains cas 1000°C. Pour réduire les bruits émis par le turboréacteur en fonctionnement, il est connu de réaliser des surfaces de guidage aérodynamiques avec des panneaux acoustiques métallique ou en matériau composite à matrice céramique non oxyde comportant une structure du type sandwich composée d'un matériau d'âme 15 encapsulé entre deux peaux. L'âme centrale comporte des parois transversales formant un grand nombre de cellules fermées, qui peuvent présenter en particulier une forme en nid d'abeille. La peau avant tournée vers la source sonore, présente des passages de 20 gaz formés par des micro-perforations, débouchant dans des cavités résonnantes formées par les cellules fermées de l'âme centrale, pour constituer des résonateurs de Helmholtz réalisant une atténuation des émissions acoustiques émises par le turboréacteur. Les panneaux acoustiques de l'art antérieur posent différents problèmes. 25 La masse est relativement importante. De plus il présente des limitations en température qui peuvent être atteintes, notamment dans les turboréacteurs. Il présente aussi des limitations de la durée d'exposition dans certains environnements. Il est connu en variante de réaliser la structure sandwich en matériau composite à matrice céramique « CMC », avec une céramique qui n'est pas un oxyde. 30 Ce matériau est à la fois résistant et léger. Toutefois il présente des limitations de la durée d'exposition dans certains environnements. De plus la fabrication d'une âme centrale et des peaux dans ce matériau est très complexe et coûteuse. La présente invention, visant notamment à pallier les inconvénients de l'art antérieur, se rapporte à cet effet à un procédé de fabrication d'un panneau 35 d'atténuation acoustique comprenant deux peaux extérieures en matériau composite à matrice céramique contenant un renfort fibreux, assemblées de chaque côté d'une 3032966 2 âme centrale alvéolaire comportant des parois formant des cavités acoustiques, réalisées dans un métal ou un alliage de métaux présentant une température de fusion supérieure à la température de frittage du matériau composite, ce procédé étant remarquable en ce qu'il comporte une étape d'insertion dans des cavités 5 acoustiques d'un matériau de remplissage fugitif laissant libre dans chaque cavité, de chaque côté contre la peau, un espace annulaire faisant le tour de cette cavité, et une étape de frittage du matériau composite céramique réalisant une élimination du matériau fugitif, avec un remplissage par le matériau composite des espaces autour des cavités.

Un avantage de ce procédé de fabrication est qu'en adaptant la matière ainsi que les formes du matériau fugitif, on obtient lors du frittage une protection préservant le volume interne des alvéoles, en évitant une déformation des peaux vers ce volume ainsi qu'un écoulement de la matrice dedans, qui réduiraient le volume des alvéoles en diminuant la performance acoustique des panneaux.

On assure en même temps par le remplissage avec le matériau composite des espaces sur le tour des cavités, des plus grandes surfaces d'adhésion entre les peaux et l'âme centrale augmentant fortement la tenue mécanique du panneau. Le procédé de fabrication selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.

Avantageusement, le procédé de fabrication comprend une étape supplémentaire destinée à réaliser pendant le moulage des perforations de l'une des peaux en matériau composite. On obtient de manière rapide un grand nombre de perforations. Cette étape supplémentaire peut comporter la réalisation de pointes sur 25 le matériau de remplissage fugitif, dans ce même matériau, traversant un renfort fibreux d'une peau. En variante l'étape supplémentaire peut comporter la dépose sur le côté extérieur d'un renfort fibreux prévu pour une peau, d'une plaque équipée de pointes traversant ce renfort. Ces pointes sont réalisées en matériau fugitif, ou en un 30 matériau apte à résister à l'étape de frittage, auquel cas les inserts présentent une forme démoulable. Le procédé de fabrication peut utiliser pour réaliser les peaux des renforts fibreux secs recevant ensuite la matrice par filtration, ou des renforts fibreux pré-imprégnés d'une matrice.

35 Avantageusement, le matériau fugitif peut être n'importe quel matériau apte à disparaitre lors de l'opération de frittage : le matériau fugitif peut comporter 3032966 3 un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières thermoplastiques et thermodurcissables. L'invention a aussi pour objet un panneau d'atténuation acoustique en matériau composite céramique, réalisé avec un procédé comprenant l'une 5 quelconque des caractéristiques précédentes. L'âme centrale de ce panneau peut comporter un métal ou un alliage de métaux comprenant au moins un métal suivant, du niobium, du molybdène, du tantale, du tungstène ou du rhénium. On obtient un matériau résistant à des températures élevées.

10 Avantageusement, le raccordement du matériau composite céramique des peaux avec les parois de l'âme centrale forme sensiblement un rayon de raccordement. La forme d'un rayon donne avec peu de matière une résistance élevée. Avantageusement, les deux peaux comprennent un renfort fibreux en oxyde métallique et une matrice en oxyde métallique.

15 En particulier, la matrice et le renfort fibreux des peaux peut comprendre au moins deux matériaux céramiques différents. On adapte ainsi les caractéristiques locales de la matrice suivant les contraintes. Selon un mode de réalisation, l'âme centrale comporte des passages de drainage entre des cavités.

20 L'âme centrale peut comporter sur ses côtés des créneaux d'accrochage sur les peaux. L'invention a de plus pour objet un ensemble propulsif d'aéronef (c'est-à dire l'ensemble formé par un turboréacteur équipé de sa nacelle, cet ensemble pouvant inclure le mât moteur), l'ensemble propulsif comportant un ou plusieurs panneaux d'atténuation acoustique comprenant l'une quelconque des caractéristiques définies ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'ensemble d'un panneau acoustique en matériau composite selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail des parois des cavités acoustiques de ce panneau ; - les figures 3, 4 et 5 présentent des variantes de ces parois ; - la figure 6 est une vue de face présentant un procédé de réalisation de ce panneau ; 3032966 4 - la figure 7 est une vue de détail de la liaison entre une peau et une cloison ; - la figure 8 présente un assemblage mécanique de ce panneau ; - la figure 9 présente un premier procédé de perforation de la peau 5 supérieure ; et - la figure 10 présente un deuxième procédé de perforation de la peau supérieure. La figure 1 présente un panneau acoustique comportant une âme centrale 2 d'épaisseur constante ou variable, comportant des parois disposées 10 transversalement 10 délimitant un grand nombre de cavités acoustiques juxtaposées. Le panneau acoustique reçoit d'un côté appelé par convention côté arrière une peau arrière étanche 4, et du côté avant prévu pour être tourné vers la source sonore, une peau avant 6 présentant un grand nombre de petites perforations 8 débouchant en principe dans toutes les cavités acoustiques.

15 Les peaux 4, 6 sont réalisées en matériau composite à matrice céramique « CMC », comportant des fibres en matériau céramique intégrées dans une matrice réalisée aussi en matériau céramique. Les fibres peuvent être des fibres longues ou courtes. Pour les fibres et la matrice on peut utiliser en particulier des oxydes métalliques.

20 La figure 2 présente les parois 10 disposées transversalement dans le panneau, constituant des cavités résonnantes hexagonales 12 disposées suivant une forme en nid d'abeille. En variante les cavités peuvent présenter d'autres formes. Les parois 10 des cavités 12 sont formées dans un métal ou un alliage métallique présentant un point de fusion élevé, de manière à résister à l'opération de 25 frittage des peaux 4, 6 assemblées dessus. Le métal ou l'alliage métallique des parois 10 présente un point de fusion au moins égale à 1200°C. Avantageusement on peut prendre un point de fusion supérieur à 1400°C, ce qui permet de résister à l'opération de frittage d'un grand nombre de matériaux composites céramique. Il est nécessaire qu'à la température de frittage, la tenue mécanique de 30 l'âme 2 reste suffisante pour résister à la pression appliquée dessus. Pour cela, avantageusement on choisit un métal ou un alliage métallique parmi la famille des métaux réfractaires. En particulier pour la réalisation des parois 10 on peut utiliser un métal ou un alliage de métaux comportant au moins un des métaux suivants, du niobium, du 35 molybdène, du tantale, du tungstène ou du rhénium.

3032966 5 La forme des cavités résonnantes 12 peut être variée, notamment en largeur et en hauteur. On peut disposer un contour différent de la forme hexagonale. On peut aussi varier les caractéristiques des cavités résonnantes sur un même panneau, selon les endroits. Ces différentes caractéristiques sont adaptées pour 5 répondre en particulier à chaque endroit aux besoins d'atténuation acoustique et à la résistance mécanique recherchée. La figure 3 présente une variante des parois 10 des cavités 12, comportant à la base de chaque face des parois une découpe rectangulaire dans cet exemple, formant un passage de drainage 20 entre deux cavités.

10 Le passage de drainage 20 comporte une hauteur suffisante pour conserver un passage entre les cavités 12 une fois la peau assemblée sur ces parois 10, de manière à pouvoir drainer un liquide entrant dans ces cavités en cours lorsque le panneau sera utilisé. En variante les trous de drainage peuvent présenter d'autres formes.

15 En variante, lorsque la matrice céramique est infiltrée, ces trous sont préalablement comblés par l'insertion de matériau de remplissage fugitif. Ces volumes de matériau de remplissage fugitif pouvant être intégrés à ceux servant au comblement des volumes laissés libres par les cavités du matériau d'âme. La figure 4 présente une variante des parois 10 des cavités 12, 20 comportant au sommet de chaque face des parois une série de petites découpes rectangulaires dans cet exemple, formant des créneaux 22, destinées à assurer une pénétration dans la peau disposée en face, pour obtenir un meilleur ancrage mécanique de cette peau sur l'âme centrale 2. La figure 5 présente une âme centrale 2 combinant les deux variantes 25 précédentes, comportant en dessous les passages de drainage 20 et au-dessus les créneaux 22. En complément on peut réaliser toutes combinaisons de ces variantes, comportant par exemple des créneaux 22 sur les deux côtés de l'âme centrale 2. La figure 6 présente un procédé de fabrication des panneaux acoustiques, 30 par filtration de la matrice dans les fibres. On dépose dans un moule 38 un premier renfort de fibres céramiques sèches 34. On dépose ensuite l'âme centrale 2, qui a reçu au préalable dans chaque cavité 12 un matériau de remplissage fugitif 30 remplissant tout le volume d'un côté à 35 l'autre et le cas échéant les trous de drainage. En variante on peut remplir les cavités 12 après cette dépose de l'âme centrale 2.

3032966 6 Le matériau de remplissage 30 de chaque cavité 12 comporte sur chaque côté un rayon de raccordement R faisant le contour de la cavité, raccordant les faces horizontales avec les faces verticales de ce matériau. Le rayon de raccordement R forme l'équivalent d'un ménisque convexe de chaque côté du matériau de 5 remplissage 30. De cette manière il reste pour chaque côté de la cavité 12 un petit espace faisant son contour, entre les parois 10 et le plan horizontal recevant une peau 4, 6. On dépose enfin le deuxième renfort de fibres céramiques sèches 36, puis on met en place un moyen de pressage supérieur pour serrer l'empilage sur l'âme 10 centrale 2. On réalise ensuite une filtration de la matrice céramique dans les deux renforts de fibres 34, 36, par le matériau céramique en poudre formant une barbotine portée par un fluide vecteur de l'apport des poudres, puis un séchage pour éliminer ce fluide, ou une polymérisation dans le cas où la matrice céramique finale est apportée 15 par une résine précéramique. On choisit en particulier un fluide compatible avec le matériau de remplissage fugitif 30, pour ne pas se mélanger ou le dissoudre. En particulier, la matrice et le renfort fibreux des peaux peut comprendre au moins deux matériaux céramiques différents pour adapter les caractéristiques locales de cette matrice suivant les contraintes.

20 On réalise enfin un frittage en température de la matrice pour effectuer une agrégation de l'ensemble de la matrice et des fibres, et réaliser l'assemblage avec l'âme centrale 2. On choisit le matériau de remplissage fugitif 30 pour obtenir son élimination, au moins partielle et de préférence totale, lors de l'opération de frittage 25 en température, notamment par combustion, fusion, oxydation, sublimation, évaporation. En particulier le matériau fugitif peut être n'importe quel matériau apte à disparaitre lors de l'opération de frittage : on peut utiliser notamment un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques thermoplastiques (telles que le polyéthylène), les matières plastiques thermodurcissables (par exemple à base 30 d'époxy), ou les métaux à bas point de fusion (par exemple à base d'aluminium, de plomb ou d'étain). Les peaux sont choisies pour permettre pendant cette opération un passage vers l'extérieur du matériau de remplissage 30, afin de le laisser s'échapper. Le matériau de remplissage fugitif 30 évite un effondrement des peaux extérieures dans les cavités 12 dans le cas de renforts fibreux pré-imprégnés. Dans le 35 cas d'une filtration, il évite en plus le remplissage des cavités 12 par la matrice.

3032966 7 On notera que grâce au pressage supérieur de l'empilage sur l'âme centrale 2, on obtient un remplissage par la matrice de tous les volumes disponibles, en particulier des espaces laissés libres par les rayons de raccordement R sur le tour de chaque cavité 12.

5 La figure 7 présente la matrice de la peau 4 venant alors pour chaque côté du panneau, recouvrir sur une petite hauteur les extrémités de chaque face des parois 10 avec un rayon R identique à celui du matériau de remplissage fugitif 30, ce qui forme une grande surface de contact entre cette matrice et l'âme centrale 2. On obtient une très forte adhérence entre les peaux 4, 6, et cette âme centrale 2.

10 En variante on peut utiliser un procédé de fabrication des panneaux acoustiques en utilisant pour réaliser les peaux 4, 6 des renforts fibreux pré-imprégnés. On dépose alors dans le moule 38 le premier renfort pré-imprégné 34, puis l'âme centrale 2 contenant le matériau de remplissage 30, ou recevant ce 15 matériau après, et enfin le deuxième renfort pré-imprégné 36. L'opération de frittage reste similaire, avec une fonction équivalente pour le matériau de remplissage, évitant un enfoncement local des peaux dans les cavités 12, et assurant une surface de contact importante avec les parois 10 grâce aux espaces laissés libres par les rayons de raccordement R.

20 On peut en complément déposer entre les renforts fibreux 34, 36 et l'âme centrale 2, une couche mince d'adhésif en précéramique qui améliore la liaison. En variante on peut utiliser un procédé de fabrication des panneaux acoustiques en utilisant des peaux consolidées ou déjà frittées, qui sont collées sur l'âme centrale 2 par une enduction de colle précéramique intermédiaire qui est 25 polymérisée ensuite. Pour ce procédé le matériau de remplissage provisoire 30 remplit le même rôle, en évitant un remplissage des cavités 12 par la colle, et en formant une surface de contact importante avec les parois 10 grâce aux espaces laissés libres par les rayons de raccordement R de ce matériau.

30 La figure 8 présente en complément un assemblage mécanique par une vis 40 disposant d'une tête large, qui serre l'empilage des composants du panneau grâce à un écrou 42 disposé en dessous, prenant appui sur une grande surface. On peut en particulier réaliser un renforcement de l'âme centrale 2 au niveau de la vis de serrage 40, par un remplissage, pour éviter un écrasement du 35 panneau à cet endroit. On peut en variante utiliser tout autre moyen de serrage.

3032966 8 La figure 9 présente un premier procédé de réalisation des perforations sur la peau supérieure 36 lors de la fabrication du panneau. On dispose sur le dessus du matériau de remplissage 30 dans chaque cavité 12, des pointes tournées vers le haut 50, formées dans un matériau s'éliminant 5 lors du frittage du matériau céramique. Lors de la dépose du renfort fibreux supérieur 36, qui peut être pré-imprégné par la matrice céramique, ou recevoir ensuite cette matrice par filtration, les pointes 50 percent ce renfort et le traversent complètement. Après l'opération de frittage, les pointes 50 disparaissent en laissant dans la peau supérieure des perforations équivalentes.

10 La figure 10 présente un deuxième procédé de réalisation des perforations sur la peau supérieure 36. Après avoir complété l'empilage des deux renforts fibreux 34, 36 et de l'âme centrale 2, on dispose sur le renfort supérieur une plaque 52 comportant une série de pointes 54 tournées vers le bas, traversant complétement ce renfort.

15 Après l'opération de frittage de la matrice céramique des peaux, on retire la plaque 52, ses pointes 54 laissant des perforations équivalentes dans la peau supérieure. On peut aussi disposer sur la plaque 52 des pointes 54 réalisées dans un matériau disparaissant lors de l'opération de frittage. Pour ces procédés de réalisation des perforations, la hauteur des pointes 20 50, 54 peut être ajustée sur l'épaisseur du renfort fibreux 36 à traverser. En variante la longueur des pointes 50, 54 peut être plus importante avec un dépassement de l'autre côté du renfort fibreux 36, pour garantir une perforation complète de la peau supérieure. Dans ce cas pour le premier procédé de réalisation, on peut effectuer un arasement des extrémités des pointes 50 dépassant avant la 25 fermeture du moule, ou introduire ces extrémités dans des logements prévus dans le couvercle du moule. Pour le deuxième procédé de fabrication l'extrémité des pointes 54 peut s'enfoncer dans le matériau de remplissage fugitif 30. On notera que ces procédés de réalisation des perforations écartent les fibres lors de l'introduction des pointes 50, 54 sans les couper, ce qui ne dégrade pas 30 la tenue mécanique de la peau ainsi perforée. En variante on peut réaliser les perforations par tout autre procédé, comme un perçage mécanique, ou un perçage par rayon laser.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique comprenant deux peaux extérieures (4, 6) en matériau composite à matrice 5 céramique contenant un renfort fibreux (34, 36), assemblées de chaque côté d'une âme centrale alvéolaire (2) comportant des parois (10) formant des cavités acoustiques (12), réalisées dans un métal ou un alliage de métaux présentant une température de fusion supérieure à la température de frittage du matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'insertion dans des cavités 10 acoustiques (12) d'un matériau de remplissage fugitif (30) laissant libre dans chaque cavité, de chaque côté contre la peau, un espace annulaire faisant le tour de cette cavité, et une étape de frittage du matériau composite céramique réalisant une élimination du matériau fugitif, avec un remplissage par le matériau composite des espaces autour des cavités. 15
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire destinée à réaliser, pendant l'étape de frittage, des perforations (8) de l'une des peaux en matériau composite (6). 20
3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape supplémentaire comporte la réalisation de pointes (50) sur le matériau de remplissage fugitif (30), dans ce même matériau, traversant un renfort fibreux (36) d'une peau. 25
4. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape supplémentaire comporte la dépose sur le côté extérieur d'un renfort fibreux (36) prévu pour une peau, d'une plaque (52) équipée de pointes (54) traversant ce renfort. 30
5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise pour réaliser les peaux (4,
6) des renforts fibreux secs recevant ensuite la matrice par filtration, ou des renforts fibreux pré-imprégnés d'une matrice. 35 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise pour le matériau de remplissage fugitif (30) 3032966 10 un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques thermoplastiques et thermodurcissables.
7. Panneau d'atténuation acoustique en matériau composite céramique, 5 caractérisé en ce qu'il est réalisé avec un procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
8. Panneau d'atténuation acoustique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'âme centrale (2) comporte un métal ou un alliage de métaux comprenant 10 au moins un métal suivant, du niobium, du molybdène, du tantale, du tungstène ou du rhénium.
9. Panneau d'atténuation acoustique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le raccordement du matériau composite céramique des peaux 15 (4, 6) avec les parois (10) de l'âme centrale (2), forme sensiblement un rayon de raccordement (R).
10. Panneau d'atténuation acoustique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les deux peaux (4, 6) comprennent un 20 renfort fibreux (34, 36) en oxyde métallique et une matrice en oxyde métallique.
11. Panneau d'atténuation acoustique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matrice et le renfort fibreux (34, 36) des peaux (4, 6) comprennent au moins deux matériaux céramiques différents. 25
12. Panneau d'atténuation acoustique selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'âme centrale (2) comporte des passages de drainage (20) entre des cavités (12). 30
13. Panneau d'atténuation acoustique selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que l'âme centrale (2) comporte sur ses côtés des créneaux (22) d'accrochage sur les peaux (6, 8).
14. Ensemble propulsif d'aéronef comportant un ou plusieurs panneaux 35 d'atténuation acoustique conformes à l'une quelconque des revendications 7 à 13.