FR3081157A1 - Procede de fabrication d'une piece cmc - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (115) en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins : - le revêtement d'une surface externe (S) d'une préforme poreuse (100) par une couche d'un matériau fugitif (102) afin de former un modèle (101) de la pièce à obtenir, le matériau fugitif étant une cire ou une résine, - l'enrobage du modèle formé par une composition pulvérulente céramique (105), - le traitement thermique du modèle enrobé afin d'éliminer le matériau fugitif et former un moule carapace (107) en céramique par frittage de la composition pulvérulente céramique, - l'introduction d'une composition fondue (112) comprenant du silicium à l'intérieur du moule carapace afin d'obtenir la pièce dans le moule carapace, la composition fondue infiltrant la porosité de la préforme poreuse afin de former la matrice céramique, et - la séparation du moule carapace de la pièce obtenue.
Description
Formation d’une préforme poreuse
Formation d’une interphase
Densification partielle de la préforme poreuse
Introduction de particules céramiques et/ou de carbone dans la porosité de la préforme poreuse
Revêtement d’une surface externe de la préforme | poreuse par un matériau fugitif afin d’obtenir un k-50 modèle de la pièce à obtenir J
Enrobage du modèle formé par une composition pulvérulente céramique
Traitement thermique du modèle enrobé afin d’éliminer le matériau fugitif et former un moule carapace
Introduction d’une composition fondue comprenant du silicium à l’intérieur du moule carapace afin d’obtenir la pièce CMC
Séparation du moule carapace de la pièce obtenue lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique (pièce CMC) mettant en œuvre une étape d'infiltration à l'état fondu (« Melt-Infiltration »).
Arrière-plan de l'invention
Les pièces CMC peuvent former des parties chaudes de turbines à gaz, telles que des parois de chambre de combustion, ou des anneaux de turbine, des distributeurs de turbine ou des aubes de turbines, pour des moteurs aéronautiques ou des turbines industrielles.
Les pièces CMC sont connues pour posséder à la fois de bonnes propriétés mécaniques permettant leur utilisation pour des éléments de structure et la capacité de conserver ces propriétés à des températures élevées. Les pièces CMC comportent un renfort fibreux en fibres réfractaires, typiquement en carbone ou en céramique, qui est densifié par une matrice céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC).
On connaît la formation de pièces CMC par technique d'infiltration à l'état fondu dans lequel on introduit dans la porosité d'une préforme poreuse une composition fondue comprenant du silicium.
Il peut toutefois s'avérer difficile, dans ce type de technique, d'obtenir directement une pièce CMC à la forme souhaitée (pièce dite « net shape ») avec un état de surface lisse pour celle-ci. Un état de surface lisse pour une pièce CMC peut être souhaitable par exemple lorsque l'on cherche à améliorer les performances aérodynamiques de la pièce, par exemple dans le cas d'une aube.
L'invention vise à répondre à ce problème.
Objet et résumé de l'invention
L'invention vise, selon un premier aspect, un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins :
- le revêtement d'une surface externe d'une préforme poreuse par une couche d'un matériau fugitif afin de former un modèle de la pièce à obtenir, le matériau fugitif étant une cire ou une résine,
- l'enrobage du modèle formé par une composition pulvérulente céramique,
- le traitement thermique du modèle enrobé afin d'éliminer le matériau fugitif et former un moule carapace en céramique par frittage de la composition pulvérulente céramique,
- l'introduction d'une composition fondue comprenant du silicium à l'intérieur du moule carapace afin d'obtenir la pièce dans le moule carapace, la composition fondue infiltrant la porosité de la préforme poreuse afin de former la matrice céramique, et
- la séparation du moule carapace de la pièce obtenue.
L'invention permet avantageusement d'obtenir, de manière relativement simple, une pièce CMC de surface lisse directement à la forme souhaitée. En effet, l'emploi d'une cire ou d'une résine permet de remplir les ondulations de surface de la préforme poreuse et confère une surface lisse à la paroi interne du moule carapace et donc à la surface de la pièce obtenue. L'invention permet en particulier de s'affranchir d'un usinage du CMC afin d'obtenir une surface lisse.
Dans un exemple de réalisation, la composition pulvérulente céramique comprend : une poudre de mullite, une poudre de carbure de silicium, une poudre de nitrure de silicium, une poudre de nitrure de bore, ou un mélange de telles poudres.
Le choix de tels matériaux permet avantageusement de former un moule carapace utilisable dans le cas où l'étape d'infiltration par la composition fondue nécessite l'emploi de particulièrement hautes températures (>1500°C) et de particulièrement faibles pressions (<100 mbar). En outre, de tels matériaux présentent une mouillabilité élevée visà-vis du silicium fondu, facilitant ainsi l'écoulement de la composition fondue dans le moule carapace.
La composition pulvérulente céramique peut être formée de plusieurs couches de poudre ayant chacune une composition différente. Chacune de ces couches peut être formée par une poudre distincte choisie dans la liste précitée. On peut ainsi obtenir un moule carapace multicouche dont chaque couche présente une composition différente. En variante, la composition pulvérulente céramique peut comprendre une unique poudre choisie dans la liste précitée.
Dans un exemple de réalisation, la couche de matériau fugitif dans le modèle ne dépasse pas le plus haut sommet des ondulations de surface de la préforme poreuse. La couche de matériau fugitif peut en particulier arriver à la même hauteur que le plus haut sommet des ondulations de surface de la préforme poreuse.
Dans un exemple de réalisation, la préforme poreuse est une préforme fibreuse tissée obtenue par tissage tridimensionnel.
En particulier, la préforme poreuse peut être partiellement densifiée par une phase de matrice céramique.
Dans un exemple de réalisation, des particules céramiques et/ou de carbone sont présentes dans la porosité de la préforme poreuse.
Dans un exemple de réalisation, la pièce est une pièce de turbomachine. En particulier, la pièce peut être une aube de turbomachine ou un distributeur de turbomachine.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est un ordinogramme montrant différentes étapes successives d'un exemple de procédé selon l'invention, et
- les figures 2 à 8 illustrent de manière schématique certaines étapes du procédé de la figure 1.
Description détaillée de modes de réalisation
La succession de différentes étapes d'un exemple de procédé selon l'invention est illustrée à la figure 1 qui va être détaillée ci-dessous.
Une préforme poreuse est tout d'abord obtenue (étape 10). La préforme poreuse peut être une préforme fibreuse poreuse. Dans ce cas, elle est destinée à former un renfort fibreux pour la pièce à obtenir.
Durant l'étape 10, une préforme fibreuse poreuse peut être obtenue à partir d'au moins une opération textile. La préforme fibreuse poreuse peut comporter des fils céramiques, des fils carbone ou un mélange de tels fils. En particulier, la préforme fibreuse poreuse peut comporter des fils de carbure de silicium. Les fils de carbure de silicium peuvent présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. On peut ainsi utiliser des fils fournis sous la dénomination « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise NGS.
La préforme fibreuse poreuse peut être réalisée en une seule pièce par tissage tridimensionnel ou à partir d'une pluralité de strates fibreuses bidimensionnelles ou encore à partir de plusieurs couches de tissu unidimensionnel.
Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », il faut comprendre un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaîne lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Une inversion des rôles entre chaîne et trame est possible dans le présent texte et doit être considérée comme couverte aussi par les revendications.
La préforme fibreuse poreuse peut, par exemple, présenter une armure multi-satin, c'est-à-dire être un tissu obtenu par tissage tridimensionnel avec plusieurs couches de fils de trame dont l'armure de base de chaque couche est équivalente à une armure de type satin classique mais avec certains points de l'armure qui lient les couches de fils de trame entre elles. En variante, la préforme fibreuse poreuse peut présenter une armure interlock. Par « armure ou tissu interlock », il faut comprendre une armure de tissage 3D dont chaque couche de fils de chaîne lie plusieurs couches de fils de trame avec tous les fils de la même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. Différents modes de tissage utilisables pour former la préforme fibreuse poreuse sont notamment décrits dans le document WO 2006/136755.
Il est aussi possible de partir de textures fibreuses telles que des tissus bidimensionnels ou des nappes unidirectionnelles, et d'obtenir la préforme fibreuse poreuse par drapage de telles textures fibreuses sur une forme. Ces textures peuvent éventuellement être liées entre elles par exemple par couture ou implantation de fils pour former la préforme fibreuse poreuse.
Une fois la préforme fibreuse poreuse obtenue, on peut réaliser une étape de traitement de surface des fils, préalablement à la formation de l'interphase pour notamment éliminer l'ensimage présent sur les fils.
On réalise ensuite la formation d'une interphase sur les fils (étape 20). L'interphase peut être déposée au contact des fils. L'interphase peut être monocouche ou multicouches. L'interphase peut comporter au moins une couche de carbone pyrolytique (PyC), de nitrure de bore (BN), de nitrure de bore dopé au silicium (BN(Si), avec du silicium en une proportion massique comprise entre 5% et 40%, le complément étant du nitrure de bore) ou de carbone dopé au bore (BC, avec du bore en une proportion atomique comprise entre 5% et 20%, le complément étant du carbone).
L'interphase a ici une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l'interphase après s'être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture de fils par de telles fissures.
L'épaisseur de l'interphase peut par exemple être supérieure ou égale à 10 nm, par exemple être comprise entre 10 nm et 1000 nm, voire entre 10 nm et 100 nm. Après formation de l'interphase, la préforme fibreuse reste poreuse, la porosité accessible initiale n'étant comblée que pour une partie minoritaire par l'interphase.
On réalise ensuite une densification partielle de la préforme fibreuse poreuse (étape 30). Une phase de matrice céramique est formée dans la porosité de la préforme fibreuse poreuse. La phase de matrice céramique est ici formée sur l'interphase. La phase de matrice céramique peut être formée au contact de l'interphase. L'épaisseur de la phase de matrice céramique peut être au moins égale à 500 nm, par exemple à 1 pm. La phase de matrice céramique peut être en carbure de silicium. La phase de matrice céramique peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI »).
La phase de matrice céramique permet de constituer une barrière au silicium liquide mis en oeuvre durant l'étape d'infiltration à l'état fondu. La phase de matrice céramique formée lors de l'étape 30 densifie partiellement la préforme fibreuse poreuse. Il subsiste une porosité résiduelle dans la préforme fibreuse poreuse après formation de cette phase de matrice céramique.
Des particules céramiques et/ou de carbone peuvent ensuite être introduites dans la porosité de la préforme fibreuse poreuse (étape 40). Les particules céramiques et/ou de carbone peuvent être introduites, de manière connue en soi, par voie liquide, par exemple par injection d'une barbotine dans la porosité de la préforme poreuse. La taille moyenne (D50) des particules céramiques et/ou de carbone peut être inférieure ou égale à 5 pm, voire à 1 pm.
On ne sort pas du cadre de l'invention lorsque les étapes 20 à 40 ne sont pas réalisées. On pourrait ainsi mettre en œuvre une préforme poreuse formée d'un bloc compact de particules (préforme non fibreuse), et obtenir le matériau composite par infiltration de cette préforme poreuse par la composition fondue.
On va maintenant décrire la réalisation des étapes 50 à 90 indiquées à la figure 1 en lien avec les figures 2 à 8 dans le cas d'une préforme fibreuse poreuse 100. Il est entendu que ces étapes pourraient également s'appliquer dans le cadre d'une préforme poreuse formée d'un bloc compact de particules.
La figure 2 illustre la préforme fibreuse poreuse 100 avant formation du modèle. Cette préforme fibreuse poreuse 100 peut être obtenue comme décrit plus haut. La préforme fibreuse poreuse 100 présente une surface externe S.
On a illustré à la figure 3 l'obtention d'un modèle 101 par application sur la surface externe S de la préforme fibreuse poreuse 100 d'un matériau fugitif 102 (étape 50). Dans l'exemple illustré, le matériau fugitif 102 est appliqué sur sensiblement l'intégralité de la surface externe S de la préforme poreuse 100. En variante, le matériau fugitif peut être appliqué sur une partie seulement de la surface externe de la préforme poreuse. Le matériau fugitif 102 est une cire ou une résine. Le matériau fugitif 102 peut ne pas s'infiltrer dans la porosité de la préforme fibreuse 100. Le matériau fugitif 102 peut par exemple être l'alcool polyvinylique (PVA), la polyvinylpyrrolidone (PVP) ou le polyéthylèneglycol (PEG). Comme illustré à la figure 3, la préforme poreuse 100 présente des ondulations de surface comprenant une alternance de sommets 100a et 100b et de creux 100c. La couche de matériau fugitif 102 peut ne pas dépasser le plus haut sommet 100a des ondulations de surface de la préforme poreuse 100. Dans l'exemple illustré, la couche de matériau fugitif 102 arrive à la même hauteur que le plus haut sommet 100a des ondulations de surface et permet de remplir l'intégralité des ondulations de surface de la préforme poreuse 100.
La couche de matériau fugitif 102 peut avoir une épaisseur e inférieure ou égale à 150 pm, par exemple inférieure ou égale à 50 pm, par exemple comprise entre 10 pm et 50 pm, cette épaisseur étant mesurée au niveau du plus bas creux 100c des ondulations de surface de la préforme poreuse et à partir de ce creux.
Le matériau fugitif 102 peut être appliqué sur la surface externe S par technique d'enduction par trempage (« dip-coating ») ou par injection dans un moule avec une cavité creuse autour de la zone à revêtir.
Le matériau fugitif 102 peut être appliqué au contact de la surface externe S. On peut former une portion 103 en matériau fugitif afin de permettre la formation d'un orifice d'injection dans le moule carapace, comme il sera décrit plus bas.
Le modèle 101 ainsi obtenu est ensuite enrobé par une composition pulvérulente céramique 105 (figure 4, étape 60). La composition pulvérulente céramique 105 comprend une ou plusieurs poudre(s) céramique(s). La composition pulvérulente céramique 105 peut être appliquée au contact du matériau fugitif 102. La portion 103 dépasse de l'enrobage formé par la composition pulvérulente céramique 105 de sorte à pouvoir ménager un orifice d'injection dans le moule carapace.
La technique mise en œuvre pour appliquer les particules de la composition pulvérulente céramique 105 autour du matériau fugitif 102, ainsi que la formation du moule carapace subséquente correspondent à des techniques connues en soi dans le cadre de procédés de fonderie à la cire perdue.
Ainsi, le modèle 101 peut être trempé dans une barbotine comprenant une poudre céramique 105, par exemple sous forme colloïdale. Le milieu liquide de la barbotine peut être aqueux ou organique.
On peut ensuite réaliser une opération de sablage durant laquelle du sable est projeté sur le modèle trempé 101. Le produit ainsi obtenu est ensuite séché. Les étapes successives de trempe et de sablage sont généralement répétées plusieurs fois jusqu'à obtenir une épaisseur suffisante pour la paroi du moule carapace. On peut en particulier tremper le modèle successivement dans des barbotines ayant chacune une poudre céramique distincte, afin de former un moule carapace multicouches.
La composition pulvérulente céramique 105 peut comprendre une poudre de mullite, une poudre de carbure de silicium, une poudre de nitrure de silicium, une poudre de nitrure de bore, ou un mélange de telles poudres. Comme indiqué plus haut, la composition pulvérulente céramique peut être formée de plusieurs couches de poudre ayant chacune une composition différente. Chacune de ces couches peut être formée par une poudre distincte choisie dans la liste précitée. En variante, la composition pulvérulente céramique peut comprendre une unique poudre choisie dans la liste précitée.
La taille moyenne des particules de la composition pulvérulente céramique (taille D50) peut par exemple être comprise entre 1 pm et 50 pm, par exemple entre 5 pm et 30 pm, par exemple entre 10 pm et 20 pm.
Le modèle enrobé est ensuite soumis à un traitement thermique (étape 70 et figure 5). Le traitement thermique permet, d'une part, d'éliminer le matériau fugitif 102 et, d'autre part, de fritter la composition pulvérulente céramique 105.
On obtient après le traitement thermique un moule carapace 107 entourant la préforme poreuse 100. Le moule carapace 107 présente un orifice 110 par lequel la composition fondue est destinée à être introduite.
On introduit ensuite une composition fondue 112 comprenant du silicium à l'intérieur du moule carapace 107 au travers de l'orifice 110 (figure 6, étape 80). On utilise ici une technique d'infiltration à l'état fondu (« Melt-Infiltration »). Le moule carapace 107 est non réactif vis-à-vis de la composition fondue 112, et plus généralement n'est pas affecté lors de l'introduction de la composition fondue 112.
On effectue l'introduction de la composition fondue 112 sous vide. La pression imposée durant cette étape peut être inférieure ou égale à 100 mbar.
On peut effectuer l'introduction de la composition fondue 112 à température supérieure à 1414°C (température de fusion du silicium) de préférence supérieure ou égale à 1420°C.
Les flèches sur la figure 6 indiquent schématiquement le trajet de la composition fondue 112. La préforme 100 est maintenue en position dans le moule carapace 107 durant l'introduction de la composition fondue 112 par appui des sommets des ondulations de surface de cette préforme 100 sur le moule carapace 107. Comme illustré, la composition fondue 112 infiltre la porosité interne de la préforme poreuse 100 afin de former une matrice céramique 116 densifiant cette préforme. On peut former une matrice céramique 116 comprenant du carbure de silicium. Cette matrice peut être formée par voie réactive lorsque la préforme poreuse est chargée par des particules de carbone, ou par voie non réactive. On obtient ainsi une pièce CMC 115 (figure 7). La pièce obtenue reprend la forme du moule et en particulier son état de surface. On obtient ainsi une pièce CMC avec une surface lisse sans avoir à réaliser un usinage du CMC.
La composition fondue 112 introduite peut correspondre à du silicium fondu seul ou à un alliage de silicium à l'état fondu lequel contient en outre un ou plusieurs autres éléments tels que du titane, du molybdène, du bore, du fer ou du niobium. La teneur massique en silicium dans la composition fondue peut être supérieure ou égale à 50%, voire à 90%.
On sépare ensuite la pièce 115 du moule carapace 107, par une opération de décochage, c'est-à-dire en brisant le moule carapace 107, de manière classique à ce qui est effectué dans le cadre des procédés de fonderie à la cire perdue.
L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (115) en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins :- le revêtement d'une surface externe (S) d'une préforme poreuse (100) par une couche d'un matériau fugitif (102) afin de former un modèle (101) de la pièce à obtenir, le matériau fugitif étant une cire ou une résine,- l'enrobage du modèle formé par une composition pulvérulente céramique (105),- le traitement thermique du modèle enrobé afin d'éliminer le matériau fugitif et former un moule carapace (107) en céramique par frittage de la composition pulvérulente céramique,- l'introduction d'une composition fondue (112) comprenant du silicium à l'intérieur du moule carapace afin d'obtenir la pièce dans le moule carapace, la composition fondue infiltrant la porosité de la préforme poreuse afin de former la matrice céramique, et- la séparation du moule carapace de la pièce obtenue.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la composition pulvérulente céramique (105) comprend: une poudre de mullite, une poudre de carbure de silicium, une poudre de nitrure de silicium, une poudre de nitrure de bore, ou un mélange de telles poudres.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche de matériau fugitif (102) dans le modèle ne dépasse pas le plus haut sommet (100a) des ondulations de surface de la préforme poreuse.
- 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la préforme poreuse (100) est une préforme fibreuse tissée obtenue par tissage tridimensionnel.
- 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la préforme poreuse (100) est partiellement densifiée par une phase de matrice céramique.
- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel des particules céramiques et/ou de carbone sont présentes dans la porosité de la préforme poreuse (100).5
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la pièce (115) est une pièce de turbomachine.
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Patent Citations (2)
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| US5394930A (en) * | 1990-09-17 | 1995-03-07 | Kennerknecht; Steven | Casting method for metal matrix composite castings |
| WO2016001026A1 (fr) * | 2014-07-03 | 2016-01-07 | Herakles | Piece revêtue par un revêtement de surface et procedes associes |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PATTNAIK SAROJRANI ET AL: "Developments in investment casting process-A review", JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY, vol. 212, no. 11, 15 June 2012 (2012-06-15), pages 2332 - 2348, XP028935921, ISSN: 0924-0136, DOI: 10.1016/J.JMATPROTEC.2012.06.003 * |
Also Published As
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