FR3036409B1 - Materiau composite a matrice metallique a base nickel et procede de fabrication d'un tel materiau composite - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un matériau composite à matrice métallique comportant : une matrice métallique (10) à base nickel ; des fibres de renforts (30) en céramique présentant du carbone ; ledit matériau composite étant caractérisé en ce qu'il comporte une couche d'interface (20) positionnée autour des fibres de renforts, ladite couche d'interface formant une barrière anti-diffusion empêchant une réaction entre les fibres de renfort et la matrice métallique.
Description
MATERIAU COMPOSITE A MATRICE METALLIQUE A BASE NICKEL ET PROCEDE DE FABRICATION D’UN TEL MATERIAU COMPOSITE
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine de l’invention est relatif à la fabrication d’un matériau composite à matrice métallique (CMM) à base nickel. L’invention trouve une application particulièrement intéressante pour la fabrication de pièces destinées au domaine de l’aéronautique ou du spatial.
ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Les matériaux composites à matrice métallique sont des matériaux constitués d’une matrice métallique ou d’un alliage métallique et d’un renfort métallique ou céramique. Ces matériaux ont un haut niveau de performance en raideur et en résistance et ils peuvent être utilisés en lieu et place d’alliages métalliques, leurs propriétés étant largement supérieures. Ainsi, à titre d’exemple, il est connu d’utiliser ces matériaux composites à matrice métallique par exemple pour la réalisation de disques de turboréacteur, d’arbres, d’entretoises, de renforts locaux de turbomachine.
Pour une application aéronautique, les matériaux composites à matrice métallique sont généralement réalisés à partir de fibres longues céramiques, par exemple en carbure de silicium, entourées d’une gaine métallique obtenue soit en phase vapeur sous champ électrique, par électrophorèse à partir de poudres métallique, soit en phase liquide par trempage dans un bain de métal liquide, comme décrit dans le document EP 0931846, ou encore par un procédé de toronnage de fils métalliques autour de la fibre céramique, comme décrit dans la demande de brevet FR13/58105.
Ce demi-produit est ensuite consolidé par une opération de compaction (ou pressage) à chaud dans le domaine de soudage diffusion et de déformation superplastique du matériau de la matrice de manière à réaliser une pièce composite homogène avec un niveau de performances mécaniques très supérieur à l’alliage métallique seul (sans renfort).
Ces techniques de fabrication sont aujourd’hui en développement pour la réalisation de pièces en matériaux composites à matrice métallique de titane. Dans cette application particulière, il est connu d’utiliser comme renfort fibreux, des fibres longues céramiques de carbure de silicium (SiC) de l’ordre de 100 à 150 pm de diamètre. L’utilisation de ce matériau composite à matrice métallique de titane permet grâce aux caractéristiques mécaniques élevées de réduire significativement la masse des pièces concernées.
Selon les applications, il est possible de réaliser la pièce concernée entièrement en matériau composite à matrice métallique ou de réaliser uniquement un insert en matériau composite à matrice métallique permettant de renforcer la pièce en question et ainsi diminuer sa masse globale.
Ce gain de masse sur les turbomachines serait encore plus significatif si des tels matériaux étaient utilisés pour réduire la masse des pièces métalliques composées, ou à base, d’une matière métallique plus dense que le titane, comme le nickel. En effet, les alliages de nickel sont massivement utilisés dans les parties chaudes d’une turbomachine. C’est pourquoi des études ont été engagées depuis les années 2000 sur la faisabilité de l’utilisation de matériaux composites à matrice métallique de nickel. Cependant, la fabrication des CMM à base nickel se heurte à certaines difficultés.
En effet, s’il est possible d’enrober des fibres céramiques avec un alliage métallique à base nickel en utilisant les techniques développées pour les alliages métallique à base titane (phase vapeur sous champ électrique, phase liquide par trempage dans un bain de métal liquide, toronnage de fils métalliques autour de la fibre céramique), des problèmes se posent dans l’opération de consolidation à chaud de ce demi-produit.
Une orientation dans la résolution de ces problèmes comprend une consolidation via une compaction à chaud qui présente deux objectifs : - densifier le matériau, c’est-à-dire supprimer les interstices entre les fibres enrobées ; - souder par diffusion les fibres enrobées entre elles, et éventuellement souder l’insert de renfort sur la pièce concernée.
Dans le cas des alliages à base titane classique, la consolidation s’effectue dans un domaine de température compris entre 850°C - 950°C. Pour les alliages à base nickel, ce domaine de température est décalé vers les hautes températures, entre 950°C et 1050°C.
Les premières études à ce sujet ont démontré que la température de 950°C n’était pas suffisante pour densifier de manière satisfaisante le matériau composite, la couche en alliage base nickel se fissurant. Or l’augmentation de la température pendant cette opération de consolidation dégrade la fibre céramique SiC en raison d’une réaction entre celle-ci et l’alliage base nickel. En effet, la fibre céramique SiC présente une couche d’interface en pyrocarbone qui réagit rapidement avec l’alliage base nickel. Une fois que cette couche d’interface est consommée, le carbure de silicium réagit à son tour avec l’alliage base nickel ce qui occasionne une dégradation rédhibitoire de la fibre céramique.
DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L’INVENTION
Dans ce contexte, l’invention permet d’apporter une solution au problème mentionné ci-dessus, de manière à pouvoir réaliser des pièces en matériaux composite composées d’une matrice métallique à base nickel et de fibres céramiques présentant du carbone (typiquement des fibres en carbure de silicium SiC ou encore des fibres en carbure de bore B4C) avec une densification satisfaisante tout en s’affranchissant d’une dégradation des fibres céramiques lors de l’étape de compaction à chaud. A cette fin, l’invention concerne un matériau composite à matrice métallique comportant : une matrice métallique à base nickel ; des fibres de renfort en céramique présentant du carbone ; ledit matériau composite étant caractérisé en ce qu’il comporte une couche d’interface positionnée autour des fibres de renforts, ladite couche d’interface formant une barrière anti-diffusion empêchant une réaction entre les fibres et la matrice métallique.
Le matériau selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ladite couche d’interface formant une barrière anti-diffusion est une couche métallique ; - ladite couche d’interface métallique est en tungstène ; - ladite couche d’interface formant une barrière anti-diffusion est une couche céramique ; - ladite couche d’interface en céramique est en alumine ou en nitrure de titane ; - lesdites fibres de renfort en céramique sont des fibres en carbure de silicium, ou des fibres de bore ou des fibres de bore revêtues de carbure de bore. L’invention a également pour objet une pièce de turbomachine caractérisée en ce qu’elle est formée par un matériau composite à matrice métallique selon l’invention. L’invention a également pour objet une pièce de turbomachine en alliage de nickel caractérisée en ce qu’elle comporte un renfort réalisé en matériau composite à matrice métallique à base nickel selon l’invention. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un matériau composite composé d’une matrice métallique à base nickel et de fibres de renfort en céramique (carbure de silicium, bore, carbure de bore ledit procédé comporte : - une étape de dépôt d’une couche d’interface autour des fibres de renfort, ladite couche d’interface formant une barrière anti-diffusion autour de chacune desdites fibres de renfort ; - une étape d’enduction d’une gaine métallique destinée à constituer la matrice métallique à base nickel autour des fibres ; - une étape de compaction à chaud des fibres dont les gaines s’agglomèrent en constituant la matrice métallique à base nickel, ladite barrière anti-diffusion empêchant lors de l’étape de compaction à chaud une réaction des fibres céramique avec la matrice métallique à base nickel.
Le procédé selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’étape de compaction est réalisée dans un domaine de température compris entre 1000°C et 1100°C ; - ladite étape de dépôt d’une couche d’interface est réalisée par dépôt chimique en phase vapeur ou par dépôt physique en phase vapeur, ou par dépôt sol-gel ; - ladite étape de dépôt d’une couche d’interface consiste à déposer une couche de 1 à 5 pm.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, en référence aux figures annexées.
La figure 1 illustre en coupe partielle perspective un matériau composite à matrice métallique selon l’invention.
La figure 2 est une vue en coupe d’une fibre de renfort telle qu’utilisée comme demi-produit dans le matériau de la figure 1.
La figure 3 illustre schématiquement en coupe un exemple d’anneau aubagé monobloc présentant un renfort dans sa partie annulaire au moyen du matériau composite conforme à l’invention.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L’INVENTION
En référence à la figure 1, le matériau composite à matrice métallique selon l’invention est un matériau composite formé par : - des fibres de renfort 30 en céramique présentant en périphérie du carbone, avantageusement des fibres longues, de diamètre compris entre 50 et 200pm ; - une matrice métallique à base nickel 10 ; - une couche d’interface 20, dite couche anti-diffusion, disposée entre les fibres de renfort et la matrice métallique permettant d’éviter la réactivité entre les fibres de renfort et la matrice à la température de soudage diffusion de la matrice.
Le matériau utilisé par la réalisation de cette couche d’interface est un matériau qui présente : - une grande stabilité thermique dans le domaine de température de fonctionnement de la turbomachine et à la température de soudage diffusion du nickel ; - une réactivité limitée à la fois entre les fibres de renfort en céramique à base de carbone utilisées et l’alliage à base nickel.
Avantageusement, les fibres de renfort en céramique sont des fibres en carbure de silicium (SiC) ou encore des fibres de bore, ou des fibres de bore revêtues de carbure de bore (B4C), par exemple sur environ 4 micromètres.
Selon un premier mode de réalisation, la couche d’interface 20 déposée sur les fibres de renfort 30 est une couche métallique. Avantageusement, cette couche métallique d’interface est en tungstène. L’utilisation du tungstène permet d’obtenir une barrière anti-diffusion efficace et de conférer à la fibre de renfort, une fois revêtue, une mouillabilité compatible avec la technique d’enduction par voie liquide.
Le dépôt de cette couche d’interface en tungstène peut se faire par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour Chemical Vapor Déposition) ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD pour Physical Vapor Déposition). L’utilisation d’une couche d’interface en tungstène permet de procéder par dépôt chimique en phase vapeur en continu à partir de chlorure (WCI5 + H2), ce qui permet d’obtenir un procédé relativement productif et économique.
Selon un autre mode de réalisation, la couche d’interface 20 déposée sur les fibres de renfort 30 est une couche céramique. Avantageusement, cette couche céramique est en alumine (AI2O3) ou en nitrure de titane (TiN). Ces matériaux céramiques présentent l’avantage de ne présenter aucune réaction avec l’alliage base nickel. L’utilisation d’une couche d’interface 20 en alumine ou en nitrure de titane ne permet toutefois pas de réaliser une enduction par voie liquide de la matrice métallique, en revanche, ces couches d’interfaces sont envisageables pour une enduction en phase vapeur ou encore par toronnage comme décrit précédemment. Le dépôt de cette couche d’interface en alumine peut se faire par dépôt physique en phase vapeur (PVD pour Physical Vapor Déposition) ou par voie sol-gel. Le dépôt de nitrure de titane, quant à lui, peut être fait par dépôt chimique en phase vapeur CVD à partir de TiCU, H2 et N2 ou n3.
Le matériau composite tel qu’illustré à la figure 1 est réalisé par compaction à chaud d’une pluralité de demi-produits 100 tels qu’illustrés à la figure 2. Le demi-produit 100 ou produit intermédiaire est réalisé de la manière suivante : - une première étape consiste à fabriquer les fibres de renfort en céramique à base de carbone 30 ; - une deuxième étape consiste à déposer, sur les fibres de renfort 30, la couche d’interface 20 qui jouera le rôle de barrière anti-diffusion entre les fibres en céramique carbonée et la matrice métallique à base nickel ; l’étape de dépôt de la couche d’interface est réalisée par dépôt chimique en phase vapeur ou par dépôt physique en phase vapeur en fonction du matériau utilisé pour la couche d’interface ; ladite étape de dépôt d’une couche d’interface consiste à déposer une couche de 1 à 5 pm, l’épaisseur du dépôt variant en fonction du procédé de dépôt utilisé ; le procédé CVD permettant avantageusement de réduire l’épaisseur de la couche d’interface entre 1 et 2 pm ; - une troisième étape consiste à réaliser une enduction des fibres de renfort au moyen d’une gaine 10DP destinée à constituer la matrice métallique 10 à base nickel autour des fibres; cette étape d’enduction peut être réalisée en phase liquide par trempage, en phase vapeur ou encore par toronnage en fonction du matériau utilisé pour la réalisation de la couche d’interface.
Après ces trois étapes, l’étape de compaction à chaud des demi-produits 100 va permettre de réaliser le matériau composite par agglomération de la matière constituant initialement les gaines des fibres, de manière à venir constituer la matrice métallique 10 à base nickel du matériau composite. La couche d’interface 20 empêche alors durant cette étape de compaction à chaud, une réaction des fibres de renfort avec la matrice métallique à base nickel. L’étape de compaction est avantageusement réalisée dans un domaine de température compris entre 1000°C et 1100°C pour permettre une bonne densification de la matrice métallique. A titre d’exemple, l’étape de compaction des fibres de renfort présentant une gaine d’alliage de type Waspaloy ® est réalisée entre 1010°C et 1050°C en fonction de la microstructure désirée.
De manière avantageuse, le procédé de fabrication permet ainsi de fabriquer des pièces ou des renforts de pièces de turbomachine, tels que par exemple des disques d’aubes, des carters, ou encore des anneaux aubagés monoblocs.
Un exemple d’anneau aubagé monobloc 200 présentant un renfort dans sa partie annulaire 210 au moyen du matériau composite 100 décrit précédemment est illustré en coupe transversale à la figure 3. L’anneau aubagé 200 est typiquement un anneau monolithique en titane aussi bien dans sa partie inférieure annulaire 210 que dans sa partie supérieure 220 formée par les aubes.
La fabrication de l’insert en forme d’anneau est réalisé selon le procédé décrit précédemment, et notamment par : - l’approvisionnement des fibres 30, typiquement de diamètre 140 micromètres ; - l’enrobage des fibres avec la couche d’interface 20 puis la gaine métallique 10DP destinée à former la matrice métallique du composite, les fibres enrobées présentant alors un diamètre de l’ordre de 250 micromètres ; l’enrobage des fibres permet ainsi de les rendre plus souples transversalement ce qui permet de faciliter les étapes suivantes de manipulation et de positionnement des fibres ; - le bobinage d’une pluralité de fibres enrobées, de l’ordre d’une centaine de fibres, de manière à pré-constituer un insert en forme d’anneau ; - le compactage de la pluralité de fibres enrobées de manière à fabriquer l’insert annulaire en matériau composites à matrice métallique, - le positionnement et cohésion de l’insert avec la pièce annulaire aubagée à réaliser ; - l’usinage de la pièce annulaire de manière à réaliser la forme de l’anneau aubagé.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Pièce de turbomachine en alliage de nickel caractérisée en ce qu’elle comporte un renfort réalisé en matériau composite à matrice métallique comportant : - une matrice métallique à base nickel (10); - des fibres de renfort en céramique présentant du carbone (30); - une couche d’interface (20) positionnée autour des fibres de renforts, ladite couche d’interface formant une barrière anti-diffusion empêchant une réaction entre les fibres de renfort et la matrice métallique.
- 2. Pièce de turbomachine en alliage de nickel selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite couche d’interface (20) formant une barrière antidiffusion est une couche métallique.
- 3. Pièce de turbomachine en alliage de nickel selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite couche d’interface (20) métallique est en tungstène.
- 4. Pièce de turbomachine en alliage de nickel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite couche d’interface (20) formant une barrière antidiffusion est une couché céramique.
- 5. Pièce de turbomachine en alliage de nickel selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite couche d’interface (20) en céramique est en alumine ou en nitrure de titane.
- 6. Pièce de turbomachine en alliage de nickel selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdites fibres de renfort en céramique (30) sont des fibres en carbure de silicium, ou des fibres de bore ou des fibres de bore revêtues de carbure de bore.
- 7, Pièce de turbomachine en alliage de nickel selon l’une des revendications précédentes_caractérisée en ce qu’elle est formée par un matériau composite à matrice métallique à base nickel.
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