FR3032967A1

FR3032967A1 - Panneau d’attenuation acoustique en materiau composite, comportant des reseaux de cavites formes par des granulats

Info

Publication number: FR3032967A1
Application number: FR1557088A
Authority: FR
Inventors: Bertrand Desjoyeaux; Sylvain Sentis; Arnaud Delehouze
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 en matériau composite à matrice céramique, comprenant les étapes successives consistant à : - déposer dans un moule (20) une couche inférieure de renfort fibreux en matériau céramique (2) pour former une peau inférieure ; - déposer par-dessus le renfort fibreux inférieur (2) un ensemble de renforts fibreux en matériau céramique formant des couches intermédiaires (4, 6) et une couche supérieure (8), ces différentes couches contenant au préalable ou recevant ensuite une dispersion de granulats (10) formés par un matériau temporaire de remplissage fugitif, ces granulats formant des groupes de granulats en contact entre eux qui s'étendent sur l'ensemble de ces couches ; - et à procéder au frittage pour obtenir une matrice en matériau composite céramique (18) qui imprègne les renforts fibreux, à une température permettant l'élimination du matériau de remplissage fugitif.

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 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 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 les surfaces de guidage aérodynamiques par des panneaux acoustiques comportant une structure du type sandwich composée d'un matériau d'âme encapsulé entre deux peaux. L'âme centrale comporte des parois transversales formant un grand 15 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 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 20 Helmholtz réalisant une atténuation des émissions acoustiques émises par le turboréacteur. Il est connu de réaliser les peaux et l'âme alvéolaire dans des matériaux métalliques. Cependant dans le domaine aéronautique où le gain de masse est un souci constant, les panneaux acoustiques en matériaux métalliques ajoutent un poids 25 qui est pénalisant. Il est également connu de réaliser un panneau d'atténuation acoustique poreux, comprenant une âme centrale formée par une mousse poreuse formée à partir de matériaux composites à matrice céramique, ou matériaux « CMC ». Les matériaux CMC sont particulièrement résistants aux températures élevées, 30 notamment les températures supérieures à 600°C. De telles températures se rencontrent notamment au niveau du cône d'éjection des gaz chauds d'un turboréacteur. Ces matériaux permettent un gain de masse par rapport aux matériaux métalliques habituellement utilisés, ainsi qu'une durée de vie et une température 35 d'exposition plus importantes. 3032967 2 Toutefois les solutions connues pour réaliser ces panneaux ne sont pas idéales en ce qui concerne les performances ainsi que la simplicité de fabrication. Or il existe un besoin de disposer d'une solution permettant de fabriquer de manière simple des panneaux d'atténuation acoustique en matériau composite à 5 matrice céramique « CMC », comportant une structure poreuse adaptée à l'atténuation acoustique spécifique. 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 d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique, comprenant 10 les étapes successives consistant à : - déposer dans un moule une couche inférieure de renfort fibreux en matériau céramique pour former une peau inférieure ; - déposer par-dessus le renfort fibreux inférieur un ensemble de renforts fibreux en matériau céramique formant des couches intermédiaires et une couche supérieure, ces différentes couches contenant au préalable ou recevant ensuite une dispersion de granulats formés par un matériau temporaire de remplissage fugitif, ces granulats formant des groupes de granulats en contact entre eux qui s'étendent sur l'ensemble de ces couches ; - et à procéder au frittage pour obtenir une matrice en matériau 20 composite céramique qui imprègne les renforts fibreux, à une température permettant l'élimination du matériau de remplissage fugitif. Un avantage de ce procédé de fabrication est qu'en adaptant la taille, la densité et la répartition des granulats, avec des granulats en surface pour former une porosité de la surface supérieure, et avec le contact entre eux des granulats d'un 25 groupe, on obtient en une seule opération simple et économique, après l'élimination du matériau de remplissage fugitif lors du frittage de la matrice, un corps poreux à matrice céramique formant un panneau d'atténuation acoustique, comprenant des réseaux de cavités débouchant sur le dessus formés par chaque groupe de granulats, et une peau inférieure étanche. 30 De plus, en déposant des couches organisées suivant l'épaisseur du panneaux de granulats de matériaux de remplissage fugitif adaptés en taille et en densité, on obtient un réseau de cavités structuré permettant de contrôler dans l'épaisseur la porosité du panneau, pour optimiser les caractéristiques mécaniques et acoustiques. 35 Le procédé de fabrication selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. 3032967 3 Avantageusement, la couche supérieure de renfort fibreux comporte un maillage fin permettant d'insérer à l'intérieur les plus petits granulats. On réalise avec ces granulats fins disposés en surface du panneau, les porosités de la face supérieure. Avantageusement, le procédé utilise pour le matériau de remplissage 5 fugitif un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques thermoplastiques et les matières plastiques thermodurcissables. Ces matériaux sont économiques et simple à mettre en oeuvre. Avantageusement, les renforts fibreux ou la matrice comportent des céramiques en oxydes métalliques. 10 En particulier, la matrice et le renfort fibreux peuvent comprendre au moins deux matériaux céramiques différents. On adapte ainsi les caractéristiques locales de la matrice suivant les contraintes. Selon un mode de réalisation, les renforts fibreux déposés étant secs, la matrice infiltre ces renforts fibreux au moyen d'un vecteur sous forme liquide, le 15 procédé comprenant une étape suivante de séchage en température du vecteur liquide ou de polymérisation d'une résine après l'étape de filtration et avant l'étape de frittage, à une température inférieure au point de fusion du matériau de remplissage fugitif. En variante, des granulats peuvent être apportés par le vecteur liquide.

En variante, des granulats peuvent être déposés par apport entre des couches de renfort fibreux. En variante, des granulats peuvent être disposés au préalable dans des couches de renfort fibreux. Avantageusement, les granulats comportent des diamètres compris 25 sensiblement entre 100 et 1000um. De préférence, les granulats comportent des diamètres compris sensiblement entre 200 et 400u.m. Avantageusement, le procédé de fabrication utilise plusieurs dimensions de granulats différentes.

30 En particulier, le procédé de fabrication peut comporter une étape de perçage mécanique de la surface supérieure pour ouvrir les cavités vers l'extérieur. L'invention concerne également un panneau d'atténuation acoustique obtenu par un procédé tel que défini ci-dessus. L'invention concerne en outre ensemble propulsif d'aéronef (c'est-à-dire 35 l'ensemble formé par un turboréacteur équipé de sa nacelle, cet ensemble pouvant 3032967 4 inclure le mât moteur), l'ensemble propulsif comportant un ou plusieurs panneaux d'atténuation acoustique obtenus par un procédé tel que défini 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 5 d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un panneau acoustique préparé avec un procédé selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un panneau acoustique suivant une variante ; et 10 - les figures 3 à 7 sont des vues schématiques de couches de renfort fibreux déposées dans des panneaux acoustiques suivant l'invention, présentant successivement un renfort tissé dans deux directions perpendiculaires et deux directions diagonales, un renfort tissé dans deux directions formant des rectangles, un renfort tissé dans deux directions formant des losanges, un renfort tissé dans trois 15 directions, et un renfort tissé dans deux directions finement ajouré. La figure 1 présente l'empilage des couches pour former un panneau acoustique, comportant en bas une couche inférieure de renfort fibreux 2 prévue pour constituer la peau inférieure étanche, déposée sur un moule 20, qui forme la peau inférieure du panneau, puis un ensemble de couches intermédiaires 4, 6 de renfort 20 fibreux formant l'âme centrale du panneau 22, et enfin une couche supérieure de renfort fibreux 8 qui forme la peau supérieure du panneau. Toutes les couches de renfort fibreux 2, 4, 6, 8 comportent des fibres en matériau céramique. Les couches intermédiaires 4, 6 ainsi que la couche supérieure 8 comporte des granulats intégrés 10 de différentes tailles, réalisés dans un matériau de remplissage fugitif. L'ensemble des renforts fibreux supporte un précurseur de la matrice céramique finale, qui après frittage en température forme un composite à matrice céramique résistant et léger. La peau inférieure 2 prévue pour être étanche, comporte une couche de renfort fibreux présentant une densité de fibres élevée ne permettant pas l'insertion de granulats 10. En particulier on peut choisir un renfort tissé avec une forte densité assurant à la fois l'étanchéité, ainsi qu'une bonne tenue mécanique de cette couche qui forme la peau inférieure du panneau. La couche intermédiaire basse 4 comporte un renfort fibreux présentant une faible densité, permettant facilement l'insertion de granulats de grande 35 dimension 12. En particulier on peut prévoir un renfort fibreux tissé présentant des grandes mailles formant des larges ouvertures régulièrement espacées, permettant 3032967 5 l'insertion dans chacune d'un groupe important 26 de granulats de grande dimension 12. Les couches intermédiaires hautes 6 comportent un renfort fibreux présentant une densité moyenne, permettant l'insertion à la fois de granulats de 5 grande dimension 12 et de petite dimension 14. La couche supérieure 8 comporte un renfort fibreux finement ajouré, permettant l'insertion de granulats de petite dimension 24. En particulier on peut prévoir un renfort fibreux tissé présentant des petites mailles régulièrement espacées, formant des ouvertures réduites permettant l'insertion dans chacune d'un granulat de 10 petite dimension 24 qui vient à la surface supérieure de cette couche. On choisit le matériau de remplissage fugitif pour obtenir son élimination au moins partielle, et de préférence totale, lors de l'opération de frittage en température de la matrice en matériau céramique qui imprégnera les différentes fibres, notamment par oxydation de ce matériau, par combustion, par fusion ou par 15 sublimation. Le cas échéant, le matériau fugitif devra en revanche résister à la température de séchage et/ou de polymérisation. Le matériau fugitif pourra comporter un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques thermoplastiques (telles que du polyéthylène), les matières plastiques thermodurcissables (par exemple à base d'époxy), et les métaux à bas point de fusion 20 (par exemple à base de plomb, d'étain ou d'aluminium). La répartition et la densité des granulats 10 sont prévues pour qu'ils forment des groupes de granulats en contact entre eux dans ce même groupe, formant un réseau de cavités après disparition du matériau de remplissage fugitif. On prévoit que chaque groupe comporte au moins un granulat 24 de la 25 couche supérieure 8 venant à la surface de cette couche, pour laisser une perforation 16 de cette surface après sa disparition mettant le réseau de cavité de ce groupe en communication avec l'extérieur, afin de former des cavités acoustiques tournées vers la source sonore. En variante on peut réaliser un perçage mécanique de la surface 30 supérieure pour ouvrir les réseaux de cavité, par exemple par un rayon laser. Le procédé de fabrication du panneau comporte la dépose successive des couches sur le moule 20 qui donnera la forme globale du panneau fini. Suivant un premier mode de réalisation, après avoir posé la couche inférieure de renfort fibreux 2 suffisamment dense pour ne pas laisser passer de 35 granulats, on dépose successivement chaque couche intermédiaire de renfort fibreux 4, 6, en l'alternant avec une couche de granulats 10 qui vont s'interpénétrer dans les 3032967 6 mailles de ces couches intermédiaires. On dépose en dernier la couche supérieure 8 intégrant aussi des granulats de petite dimension 24. On choisit en particulier pour chaque couche suivant l'épaisseur, ainsi que pour une même couche dans la direction latérale, le type de renfort fibreux ainsi 5 que la densité et la dimension des granulats 10, de manière à obtenir localement à la fois la résistance mécanique recherchée et l'efficacité acoustique des cavités qui seront créées. Suivant un deuxième mode de réalisation on dépose des couches intermédiaires 4, 6 ainsi qu'une couche supérieure 8, comportant déjà les granulats 10 10 intégrés dedans, avec une répartition adaptée localement. Pour ces deux modes de réalisation on réalise ensuite une filtration du précurseur de la matrice céramique 18 porté par un vecteur liquide, qui imprègne tous les renforts fibreux et remplit tous les espaces laissés libres entre les granulats 10. On choisit en particulier un liquide compatible avec le matériau de remplissage 15 fugitif des granulats 10, pour ne pas se mélanger avec ce matériau et le dissoudre. On réalise ensuite si nécessaire un séchage du vecteur liquide pour laisser seulement le précurseur de la matrice céramique 18, à une température inférieure à la température de fusion du matériau de remplissage fugitif. Dans le cas d'une résine précéramique, on réalise une polymérisation de cette résine. Comme mentionné plus 20 haut, le matériau fugitif sera choisi pour résister à la température de séchage et/ou de polymérisation. En variante de ces deux modes de réalisation on peut déposer des couches de renfort fibreux sans intégrer de granulats 10, et apporter ensuite ces granulats en même temps que le précurseur de la matrice céramique 18 par la 25 filtration du vecteur liquide. Suivant un autre mode de réalisation on utilise des renforts fibreux pré-imprégnés du précurseur la matrice céramique, comportant des caractéristiques particulières adaptées pour chaque niveau. Ces renforts fibreux pré-imprégnés peuvent ne pas contenir les granulats 10 qui sont alors déposés entre chaque couche 30 comme pour le premier mode de réalisation, ou déjà les contenir comme pour le deuxième mode de réalisation. On peut aussi sur un même panneau mixer ces différents modes de réalisation pour adapter localement les caractéristiques. On réalise enfin un frittage du précurseur de la matrice céramique en 35 température, et éventuellement en pression, pour obtenir une agrégation de l'ensemble de la matrice qui englobe complètement les fibres céramiques des renforts 3032967 7 fibreux, ainsi que la disparition au moins partielle du matériau de remplissage fugitif qui laisse alors des vides à la place. Par les points de contact entre les granulats 10 d'un groupe, on obtient un passage entre les différentes cavités laissées par ces granulats formant les réseaux 5 de cavités acoustiques, ainsi que les perforations de la surface supérieure 16 par les granulats de surface 24. Avantageusement les granulats 10 comportent des diamètres compris entre 100 et 1000um. De préférence ces diamètres sont compris entre 200 et 400um. En particulier pour améliorer les performances acoustiques, on dispose des cavités de 10 plus petit diamètre en surface, et de plus grand diamètre en profondeur. D'une manière générale les différentes fibres du panneau peuvent être longues ou courtes. Pour les fibres et la matrice on peut utiliser en particulier des oxydes métalliques. La figure 2 présente un panneau acoustique comprenant une âme 15 centrale 22 comportant sur la couche de la peau inférieure 2, d'abord en bas trois couches 4 contenant des granulats de grande dimension 12, puis ensuite trois couches 6 contenant des granulats de moyenne ou petite dimension 14, et enfin un couche de la peau supérieure contenant des granulats de petites dimensions 24. La figure 3 présente un renfort fibreux 30 contenant un premier jeu de 20 fibres tissées dans deux directions perpendiculaires 32, et un deuxième jeu de fibres tissées dans deux directions diagonales 34. On obtient ainsi une couche dense de renfort fibreux contenant des mailles serrées ne laissant pas passer les granulats 10, qui peut être utilisée en particulier pour la couche inférieure 2.

25 La figure 4 présente un renfort fibreux 40 contenant un unique jeu de fibres tissées dans deux directions perpendiculaires 32, formant des grandes mailles rectangulaires. La figure 5 présente un renfort fibreux 50 contenant un unique jeu de fibres tissées dans deux directions diagonales 34 qui ne sont pas orthogonales, 30 formant des grandes mailles en losange. On obtient pour ces deux renforts fibreux 40, 50 des mailles assez larges laissant des espaces importants pouvant recevoir des granulats de grande dimension 12. La figure 6 présente un renfort fibreux 60 contenant des fibres tissées dans la direction verticale 32, ainsi qu'un jeu de fibres tissées dans deux directions qui 3032967 8 ne sont pas orthogonales 34. On obtient des mailles relativement réduites, pouvant recevoir des granulats de petite dimension 14. La figure 7 présente un renfort fibreux 70 finement ajouré, contenant un jeu de fibres tissées dans deux directions perpendiculaires 32, comportant à chaque 5 fois un dédoublement du fil ce qui forme des petites mailles rectangulaires régulièrement espacées, pouvant recevoir des granulats de petite dimension 14. On peut en particulier utiliser ce renfort fibreux 70 pour former la couche supérieure 8 devant contenir les perforations de surface 16.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un panneau d'atténuation acoustique en matériau composite à matrice céramique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes 5 successives consistant à : - déposer dans un moule (20) une couche inférieure de renfort fibreux en matériau céramique (2) pour former une peau inférieure ; - déposer par-dessus le renfort fibreux inférieur (2) un ensemble de renforts fibreux en matériau céramique formant des couches intermédiaires (4, 6) et 10 une couche supérieure (8), ces différentes couches contenant au préalable ou recevant ensuite une dispersion de granulats (10) formés par un matériau temporaire de remplissage fugitif, ces granulats formant des groupes de granulats en contact entre eux qui s'étendent sur l'ensemble de ces couches ; - et à procéder au frittage pour obtenir une matrice en matériau 15 composite céramique (18) qui imprègne les renforts fibreux de l'ensemble, à une température permettant l'élimination du matériau de remplissage fugitif.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche supérieure de renfort fibreux (8) comporte un maillage fin permettant 20 d'insérer à l'intérieur les plus petits granulats (14).
3. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise pour le matériau de remplissage fugitif des granulats (10) un ou plusieurs matériaux choisis parmi les matières plastiques 25 thermoplastiques et les matières plastiques thermodurcissables
4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les renforts fibreux (2, 4, 6, 8) ou la matrice (18) comportent des céramiques en oxydes métalliques. 30
5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice et le renfort fibreux comprennent au moins deux matériaux céramiques différents. 35
6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les renforts fibreux (2, 4, 6, 8) déposés étant secs, le précurseur de la matrice (18) infiltre ces renforts fibreux au moyen d'un vecteur 3032967 10 sous forme liquide, le procédé comprenant une étape suivante de séchage en température du vecteur liquide ou de polymérisation d'une résine après l'étape de filtration et avant l'étape de frittage, à une température inférieure au point de fusion du matériau de remplissage fugitif.
7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les renforts fibreux (2, 4, 6,
8) déposés sont pré-imprégnés du précurseur de la matrice céramique. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que des granulats (10) sont apportés par le vecteur liquide (8).
9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des granulats (10) sont déposés par apport entre 15 des couches de renfort fibreux (2, 4, 6, 8).
10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des granulats (10) sont disposés au préalable dans des couches de renfort fibreux (4, 6, 8). 20
11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les granulats (10) comportent des diamètres compris sensiblement entre 100 et 100011m. 25
12. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que les granulats (10) comportent des diamètres compris sensiblement entre 200 et 400gm.
13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise plusieurs dimensions de granulats (12,
14) différentes. 14. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de perçage mécanique de la 35 surface supérieure.