FR3055624A1 - Preforme fibreuse pour fabriquer une piece en materiau composite et procede associe - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une préforme fibreuse (100) tissée à partir d'une pluralité de fils ou torons (110), la préforme étant destinée à former le renfort fibreux d'une pièce en matériau composite, la préforme comprenant en outre une armature intégrée (112) constituée d'un matériau métallique réfractaire apte à être déformé et à conserver sa forme après déformation. L'invention vise aussi un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite.

Description

Titulaire(s) : SAFRAN CERAMICS Société anonyme, SAFRAN AIRCRAFT ENGINES Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : CABINET BEAU DE LOMENIE.
PREFORME FIBREUSE POUR FABRIQUER UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE ET PROCEDE ASSOCIE.
(u/) L'invention concerne une préforme fibreuse (100) tissée à partir d'une pluralité de fils ou torons (110), la préforme étant destinée à former le renfort fibreux d'une pièce en matériau composite, la préforme comprenant en outre une armature intégrée (112) constituée d'un matériau métallique réfractaire apte à être déformé et à conserver sa forme après déformation. L'invention vise aussi un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite.
FR 3 055 624 - A1
Figure FR3055624A1_D0001
Figure FR3055624A1_D0002
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces en matériau composite et concerne notamment une préforme fibreuse tissée destinée à former le renfort fibreux d'une telle pièce.
Lors de la fabrication de pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC), il est courant de déposer un revêtement d'interphase, comprenant par exemple du nitrure de bore BN ou du carbure de silicium SiC, sur les fibres céramiques de la préforme fibreuse. La préforme peut être ensuite densifiée par une matrice. Le dépôt de l'interphase et la densification de la préforme peuvent être effectués par un procédé du type infiltration chimique en phase gazeuse (CVI).
Pour réaliser le dépôt du revêtement d'interphase et la densification d'une préforme de forme complexe, il est nécessaire d'utiliser un conformateur permettant de mettre en forme la préforme et de la maintenir en forme dans le four utilisé pour la CVI. Les conformateurs doivent ainsi être capables de supporter les conditions de température et de pression imposées pendant le procédé CVI et être dimensionnés avec précision. Pour cela, on utilise généralement des conformateurs en graphite, qui sont usinés aux dimensions de la pièce et percés d'évents pour laisser le gaz pénétrer dans la préforme. De tels conformateurs en graphite sont difficiles à usiner et coûteux à mettre en œuvre. En outre, ils présentent une durée de vie limitée à cause de leur fragilité, et des dépôts successifs sur leurs surfaces qui modifient leurs dimensions dès une dizaine de cycles d'utilisation dans un four de CVI.
Il existe donc un besoin pour une préforme fibreuse et pour un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite qui permettent de s'affranchir de l'utilisation d'un conformateur en graphite, notamment pour le dépôt d'un revêtement d'interphase ou pendant la densification de la préforme.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une préforme fibreuse tissée à partir d'une pluralité de fils ou torons, la préforme étant destinée à former le renfort fibreux d'une pièce en matériau composite, la préforme comprenant en outre une armature intégrée constituée d'un matériau métallique réfractaire apte à être déformé et à conserver sa forme après déformation.
La préforme fibreuse selon l'invention est remarquable en ce qu'elle comprend une armature intégrée constituée d'un matériau métallique réfractaire. L'armature a pour rôle de maintenir la préforme dans sa forme sans nécessiter d'utiliser un outillage spécifique de maintien. Le matériau de l'armature, réfractaire, lui permet de résister à des conditions de température et de pression qui pourront être imposées par exemple durant une étape de densification dans un four. Ainsi, il est possible de mettre en forme la préforme fibreuse avant sa densification, et de procéder à sa densification par voie gazeuse en s'affranchissant de l'emploi d'un outillage de maintien tel qu'un conformateur en graphite.
Dans un exemple de réalisation, le matériau métallique réfractaire peut être choisi parmi les suivants : le molybdène, le titane, le platine, le tungstène, le tantale, le niobium et leurs alliages.
Dans un exemple de réalisation, la préforme peut comprendre des fils ou torons en carbure de silicium. Des exemples de fils en carbure de silicium utilisables peuvent être des fils « Nicalon », « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » commercialisés par la société japonaise NGS. Les fils en carbure de silicium peuvent présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Les fils « Hi-Nicalon-S » présentent une telle caractéristique.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, au moins une partie des fils ou torons de la préforme fibreuse peut comprendre des filaments du matériau métallique réfractaire.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la préforme fibreuse peut comprendre un premier ensemble de fils ou torons tissé avec un deuxième ensemble de fils ou torons en matériau métallique réfractaire, les fils ou torons du premier ensemble étant constitués d'un matériau différent de celui des fils ou torons du deuxième ensemble.
Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, l'armature comprend des tôles ou bandelettes de matériau métallique réfractaire.
De préférence, le taux volumique en matériau métallique réfractaire dans la préforme est compris entre 5% et 30%, le taux volumique en matériau métallique réfractaire dans la préforme étant égal au rapport entre le volume de matériau métallique réfractaire et le volume occupé par les fils ou torons dans la préforme. De manière générale, le taux volumique en matériau métallique dans la préforme pourra être choisi d'une part afin que la préforme puisse être maintenue dans sa forme sans nécessiter d'outillage de maintien, et d'autre part pour éviter que la présence de l'armature métallique n'altère les propriétés mécaniques de la pièce en matériau composite.
L'invention concerne aussi une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse telle que celle décrite plus haut mise en forme.
Enfin, l'invention vise un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant au moins les étapes suivantes :
- la réalisation d'une préforme fibreuse telle que celle décrite précédemment,
- la mise en forme de ladite préforme fibreuse afin d'obtenir le renfort fibreux de la pièce, le renfort fibreux étant maintenu dans sa forme par l'armature, et
- la formation d'une matrice dans la porosité du renfort fibreux par voie gazeuse.
La mise en forme de la préforme fibreuse peut être réalisée par déformation de la préforme fibreuse, par exemple par emboutissage. La matrice peut être une matrice céramique ou une matrice carbone.
Dans un exemple de réalisation, la pièce fabriquée peut être un secteur d'anneau de turbine.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 montre une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d'un secteur d'anneau en matériau composite à matrice céramique,
- les figures 2, 3 et 4 montrent respectivement des vues de préformes fibreuses selon trois modes de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est un ordinogramme illustrant les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique selon l'invention, et
- les figures 6A à 6C illustrent également des étapes d'un tel procédé de fabrication.
Description détaillée de l'invention
L'invention va à présent être décrite dans son application à la fabrication d'un secteur d'anneau de turbine en matériau CMC.
Une préforme fibreuse 1 est représentée schématiquement en figure 1 après son tissage, c'est-à-dire avant toute densification. La préforme 1 représentée peut être obtenue à partir de fils ou torons tissés comprenant par exemple des fibres de carbone, ou des fibres céramiques. La préforme 1 peut être obtenue par tissage bidimensionnel, tridimensionnel ou multicouches.
Les fils ou torons céramiques peuvent être par exemple en carbure de silicium. Des exemples de fils en carbure de silicium utilisables peuvent être des fils « Nicalon », « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » commercialisés par la société japonaise NGS. Les fils en carbure de silicium peuvent présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Les fils « Hi-Nicalon-S » présentent une telle caractéristique.
La préforme 1 comprend une partie inférieure 2 destinée à former la base du secteur d'anneau, et une partie supérieure 4 reliée à la partie inférieure 2 par une portion centrale 6. La partie supérieure 4 n'est pas liée avec la partie inférieure 2 à deux extrémités latérales opposées et sur une distance prédéterminée de la portion centrale 6. En d'autres termes, la préforme 1 comprend deux zones de déliaison 8 au niveau de deux bords opposés dans une direction transversale de la préforme 1, de façon à laisser deux portions latérales 10 libres. Les deux portions latérales 10 pourront ensuite être repliées vers la portion centrale 6 de façon à former, après densification, des brides d'accroche du secteur d'anneau sur une structure de support d'anneau dans une turbine. Le secteur d'anneau à fabriquer peut ainsi présenter une section en π ou K.
Conformément à l'invention, une armature pouvant prendre différentes formes qui seront décrites ci-après est intégrée à la préforme
1. L'armature est généralement en un matériau métallique réfractaire pouvant se déformer lorsqu'on lui impose une contrainte, par exemple par pliage ou emboutissage, et qui conserve sa forme après déformation. Le matériau métallique réfractaire de l'armature doit être suffisamment résistant pour supporter les températures élevées que l'on peut rencontrer dans un procédé du type CVI, et être inerte chimiquement vis-à-vis du matériau céramique ou du carbone de la préforme 1 dans ces conditions. De tels matériaux métalliques réfractaires peuvent être par exemple : le molybdène, le titane, le platine, le tungstène, et leurs alliages. Comme on le verra ultérieurement, cette armature permet de mettre en forme la préforme 1 afin qu'elle conserve sa forme sans nécessiter d'outillage de maintien tel qu'un conformateur. Pour cela, le taux volumique en matériau métallique réfractaire dans la préforme, correspondant au rapport entre le volume de matériau métallique réfractaire et le volume occupé par les fils ou torons dans la préforme, peut être compris entre 5% et 30%. Il est donc avantageux de choisir un taux volumique en matériau métallique réfractaire suffisant pour assurer un maintien de la préforme 1 lorsqu'elle est mise en forme, tout en évitant d'altérer les propriétés mécaniques de la pièce finale à cause de la présence de l'armature.
La figure 2 montre une vue agrandie d'un exemple de préforme 100 selon un premier mode de réalisation de l'invention, qui comprend un ensemble de fils 110 tissés. Pour des raisons de simplification, les fils ne sont pas montrés tissés sur les figures, mais il est évident que la préforme est obtenue par tissage des fils 110 comme décrit précédemment. Dans cet exemple, les fils 110 de la préforme sont obtenus à partir de filaments céramiques, majoritaires, et comprennent également des filaments 112 du matériau métallique réfractaire. Ainsi, l'armature est ici constituée par les filaments 112 en matériau métallique réfractaire présents à l'intérieur des fils 110 de la préforme 100.
La figure 3 montre une vue agrandie d'une préforme 200 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La préforme 200 est obtenue par tissage d'un premier ensemble de fils 210, par exemple céramiques ou en carbone, avec un deuxième ensemble de fils 220 en matériau métallique réfractaire. La répartition des fils 210 et 220 peut par exemple être aléatoire ou alternée de manière régulière dans la préforme. De manière générale, on peut veiller à ce que les fils 220 en matériau métallique réfractaire soient présents dans les portions de la préforme 200 qui devront être mises en forme et maintenues dans leur forme. Ainsi, l'armature est ici constituée par les fils 220 du deuxième ensemble en matériau métallique réfractaire.
La figure 4 montre une vue agrandie d'une préforme 300 selon un troisième mode de réalisation de l'invention. La préforme 300 comprend un ensemble de fils 310 tissés, par exemple des fils en carbone ou en céramique, et une armature constituée par un ensemble de bandelettes ou tôles 320 en matériau métallique réfractaire insérées dans la préforme 300 au cours de son tissage, ou après son tissage. L'orientation des bandelettes ou tôles 320 et leurs dimensions pourront être adaptées en fonction des opérations de mise en forme ultérieures qui seront imposées à la préforme 300.
Un procédé de fabrication d'un secteur d'anneau en matériau CMC va à présent être décrit en lien avec l'ordinogramme de la figure 5 et les figures 6A à 6C.
Dans une première étape El, on réalise tout d'abord la préforme fibreuse 1 qui formera le renfort fibreux du secteur d'anneau. Selon le mode de réalisation de l'invention choisi, la préforme fibreuse peut être obtenue en utilisant des fils ou torons 110 qui comprennent des filaments en matériau métallique réfractaire (préforme 100), ou en tissant des fils 210 avec des fils en matériau métallique réfractaire 220 (préforme 200), ou encore en insérant des bandelettes ou tôles 320 en matériau métallique réfractaire dans la préforme 300 au cours de son tissage ou après son tissage.
Puis, dans une deuxième étape E2, la préforme fibreuse 1 est mise en forme. Pour ce faire, on peut replier les portions latérales 10 vers la portion centrale 6 (figure 6A), disposer la préforme dans un moule métallique 20 (figure 6B) et appliquer une pression de compactage sur la préforme fibreuse 1. Le moule métallique 20 permet ici d'emboutir la préforme fibreuse 1 pour lui donner la forme voulue et obtenir une préforme fibreuse mise en forme (figure 6C), c'est-à-dire le renfort fibreux l'de la pièce à fabriquer.
On peut ensuite procéder à la densification du renfort fibreux 1' (étape E3). La densification du renfort fibreux 1' peut consister en la formation d'une matrice céramique ou carbone au sein de sa porosité libre. On peut notamment densifier le renfort fibreux 1' par voie gazeuse, en faisant pénétrer un gaz précurseur de la matrice céramique ou carbone dans le renfort fibreux Γ dans des conditions prédéterminées de température et de pression. Un tel procédé de densification peut être une infiltration chimique en phase gazeuse (CVI), connue en soi. Le procédé selon l'invention permet de s'affranchir de l'utilisation d'un conformateur durant l'étape de densification du renfort fibreux 1', le renfort fibreux 1' étant maintenu dans sa forme grâce à son armature en matériau métallique réfractaire. Il est également possible d'effectuer une étape de densification partielle du renfort fibreux 1' pour le consolider avant de le densifier complètement.
On notera que l'invention peut également s'appliquer à tout procédé permettant de former un revêtement d'interphase sur les fils d'une préforme fibreuse par voie gazeuse. Dans ce cas, au lieu de densifier le renfort fibreux 1', on forme un revêtement d'interphase sur les fils ou torons du renfort fibreux Γ.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Préforme fibreuse (1 ; 100 ; 200 ; 300) tissée à partir d'une pluralité de fils ou torons (110 ; 210, 220 ; 310), la préforme étant destinée à former le renfort fibreux d'une pièce en matériau composite, la préforme comprenant en outre une armature intégrée (112 ; 220 ; 320) constituée d'un matériau métallique réfractaire apte à être déformé et à conserver sa forme après déformation.
  2. 2. Préforme fibreuse selon la revendication 1, dans laquelle le matériau métallique réfractaire est choisi parmi les suivants : le molybdène, le titane, le platine, le tungstène, le tantale, le niobium et leurs alliages.
  3. 3. Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant des fils ou torons en carbure de silicium.
  4. 4. Préforme fibreuse (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle au moins une partie des fils ou torons (110) de la préforme fibreuse comprend des filaments (112) du matériau métallique réfractaire.
  5. 5. Préforme fibreuse (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un premier ensemble de fils ou torons (210) tissé avec un deuxième ensemble de fils ou torons (220) en matériau métallique réfractaire, les fils ou torons du premier ensemble étant constitués d'un matériau différent de celui des fils ou torons du deuxième ensemble.
  6. 6. Préforme fibreuse (300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'armature comprend des tôles ou bandelettes (320) de matériau métallique réfractaire.
  7. 7. Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le taux volumique en matériau métallique réfractaire dans la préforme est compris entre 5% et 30%, le taux volumique en matériau métallique réfractaire dans la préforme étant égal au rapport entre le volume de matériau métallique réfractaire et le volume occupé par les fils ou torons dans la préforme.
    5 8. Pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux (19 densifié par une matrice, le renfort fibreux comprenant une préforme Fibreuse (100 ; 200 ; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 mise en forme.
  8. 10 9. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant au moins les étapes suivantes :
    - la réalisation d'une préforme fibreuse (100 ; 200 ; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
    - la mise en forme de ladite préforme fibreuse afin d'obtenir le
  9. 15 renfort fibreux (19 de la pièce, le renfort fibreux étant maintenu dans sa forme par l'armature, et
    - la formation d'une matrice dans la porosité du renfort fibreux par voie gazeuse.
  10. 20 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la pièce fabriquée est un secteur d'anneau de turbine.
    3°SS624
    1/4
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