FR3083229A1

FR3083229A1 - Procede de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux

Info

Publication number: FR3083229A1
Application number: FR1855809A
Authority: FR
Inventors: Stephane Goujard; Jean-Francois Potin; Franck Lamouroux
Original assignee: Safran Ceramics SA
Current assignee: Safran Ceramics SA
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: FR3083229B1; WO2020002841A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux (20) présentant un passage central, les substrats étant disposés dans une enceinte (10) délimitée par une paroi chauffée (10a) et agencés en au moins une première et une deuxième pile de substrats, chaque pile de substrats définissant un volume interne (21) formé par les passages centraux des substrats empilés, la première pile étant plus proche de la paroi que la deuxième pile, le procédé comprenant au moins une étape d'injection dans le volume interne de chaque pile de substrats d'une phase gazeuse comprenant un précurseur gazeux d'un matériau de matrice à déposer au sein de la porosité des substrats, et la quantité de matière de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la deuxième pile est supérieure à la quantité de matière de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la première pile.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de densification par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI). L'invention se rapporte plus particulièrement à un procédé de densification par CVI de substrats annulaires poreux.

Pour densifier de tels substrats, on connaît notamment des procédés dans lesquels on dispose des piles de substrats dans l'enceinte chauffée d'une installation de densification, et on introduit une phase gazeuse comprenant un précurseur de matériau de matrice à l'intérieur des piles de substrats de façon à former la matrice dans la porosité des substrats. Le document FR 2834713 décrit un tel procédé et une installation pour sa mise en oeuvre.

Lorsque l'on souhaite densifier un nombre important de piles de substrats, on utilise généralement une installation de plus grande taille. Toutefois, on observe que la densification n'est pas réalisée de manière uniforme selon la position des substrats à l'intérieur de l'enceinte, notamment à cause de la présence de gradients de température. En effet, les piles situées dans les zones les plus froides de l'enceinte sont densifiées plus lentement que celles situées dans les zones les plus chaudes. Ainsi, la durée d'un cycle de densification est directement dépendante du temps nécessaire pour densifier les piles situées dans les zones les plus froides de l'enceinte.

Or, l'homme du métier recherche en permanence un procédé capable de réduire la durée totale d'un cycle de densification par infiltration chimique en phase gazeuse.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux présentant un passage central, les substrats étant disposés dans une enceinte délimitée par une paroi chauffée et agencés en au moins une première et une deuxième pile de substrats, chaque pile de substrats définissant un volume interne formé par les passages centraux des substrats empilés, les première et deuxième piles de substrats étant situées respectivement à une première et à une deuxième distances de la paroi chauffée, la première distance étant inférieure à la deuxième distance, le procédé comprenant au moins une étape d'injection dans le volume interne de chaque pile de substrats d'une phase gazeuse comprenant un précurseur gazeux d'un matériau de matrice à déposer au sein de la porosité des substrats. Selon l'invention, la quantité de matière Q2 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la deuxième pile est supérieure à la quantité de matière Q1 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la première pile.

Le procédé selon l'invention permet ainsi de compenser les différences de cinétique de densification que l'on observe en fonction de la position d'une pile par rapport à la paroi chauffée, en augmentant la quantité de matière de précurseur gazeux qui est injectée par unité de temps dans les piles les plus éloignées de la paroi par rapport aux piles les plus proches de celle-ci. L'invention s'applique notamment à des procédés d'infiltration chimique en phase gazeuse dits à flux forcé ou dirigé, où la phase gazeuse injectée dans une pile traverse les substrats à l'aide de cales pleines positionnées entre les substrats, qu'à des procédés dits à flux semi-forcé, où des cales ménageant un passage de fuite sont disposées entre les substrats pour forcer une partie seulement de la phase gazeuse à traverser les substrats.

Dans un exemple de réalisation, le taux de dopage en précurseur gazeux de la phase gazeuse injectée dans la deuxième pile peut être supérieur au taux de dopage en précurseur gazeux de la phase gazeuse injectée dans la première pile. Le taux de dopage correspond à la proportion molaire de précurseur gazeux dans la phase gazeuse. La phase gazeuse peut comprendre un gaz vecteur, par exemple du gaz naturel. Il est connu que le gaz naturel peut également contenir un ou plusieurs précurseurs gazeux de matrice et peut ainsi contribuer également au dépôt, l'homme du métier saura tenir compte de cette contribution pour déterminer le taux de dopage de la phase gazeuse.

Dans un exemple de réalisation, le débit d'injection de la phase gazeuse dans la deuxième pile peut être supérieur au débit d'injection de la phase gazeuse dans la première pile. On notera que le débit et le taux de dopage entre les première et deuxième piles peuvent être modifiés ensemble tout en respectant la différence de quantité de matière en précurseur gazeux par unité de temps injectée entre les deux piles.

Dans un exemple de réalisation, le précurseur gazeux peut comprendre du propane. Ainsi, on formera du pyrocarbone (PyC) dans la porosité des substrats annulaires poreux.

Dans un exemple de réalisation, l'enceinte peut être délimitée par un suscepteur couplé à un inducteur.

Dans un exemple de réalisation, un écart relatif (Q2-Q1)/Q2 peut être d'au moins 10%.

Dans un exemple de réalisation, une troisième pile de substrats peut être présente dans l'enceinte, la troisième pile de substrats étant située à une troisième distance de la paroi chauffée supérieure à la deuxième distance, et la quantité de matière Q3 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la troisième pile peut être supérieure à la quantité de matière Q2 injectée par unité de temps dans la deuxième pile.

Dans un exemple de réalisation, plusieurs piles de substrats peuvent être situées à une même distance de la paroi chauffée et être alimentées par un même système d'alimentation en phase gazeuse.

Dans un exemple de réalisation, l'enceinte peut être de forme cylindrique autour d'un axe. Dans ce cas, une pile peut être centrée selon cet axe et les autres piles peuvent être réparties autour de cet axe dans l'enceinte.

Dans un exemple de réalisation, chaque substrat annulaire poreux peut comprendre du carbone.

Dans un exemple de réalisation, chaque substrat annulaire poreux peut constituer une préforme fibreuse de disque de frein.

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 un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un chargement de substrats annulaires poreux dans une enceinte,

- la figure 2 est une vue schématique en élévation et en coupe montrant une installation de densification par infiltration chimique en phase vapeur selon l'invention dans laquelle est présent le chargement de la figure 1,

- la figure 3 est une vue en coupe de l'installation de la figure 2 où l'on peut voir la disposition des piles du chargement de substrats poreux, et

- la figure 4 est une vue agrandie de la figure 2 au niveau d'une pile de substrats.

Description détaillée de l'invention

La figure 1 montre de façon très schématique une enceinte cylindrique chauffée 10, et un chargement de substrats 20 présent dans l'enceinte 10. La figure 2 montre une vue en élévation et en coupe détaillée d'une installation de densification comprenant un chargement du type de celui de la figure 1, pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention.

Les substrats 20 sont par exemple des préformes en fibres de carbone ou des ébauches formées de préformes pré-densifiées, destinées à la réalisation de disques de frein en matériau composite carbone/carbone (C/C), par densification par une matrice en carbone pyrolytique.

Le chargement comprend une pluralité de piles de substrats 20, chacune délimitant un volume interne 21 formé par les passages centraux 20a (figure 3) des substrats 20 alignés verticalement. Les piles sont portées par un même plateau support inférieur 11. Chaque pile est ici formée de plusieurs sections superposées séparées par un ou plusieurs plateaux supports intermédiaires 12. Le plateau support inférieur 11 est muni d'ouvertures lia qui sont alignées axialement avec les passages centraux des substrats 20 et avec des ouvertures 12a des plateaux intermédiaires 12. Un disque d'injection 13 est présent à la base des piles, sous le plateau support inférieur 11, et comprend des canaux qui s'ouvrent sur les ouvertures lia du plateau support inférieur 11 à une extrémité, et sur des ports d'alimentation 14 présents dans une paroi inférieure de l'enceinte 10 à une autre extrémité. Les ports d'alimentation 14 sont ici reliés à plusieurs systèmes d'alimentation en phase gazeuse (représentés par des flèches), dont le principe de fonctionnement sera décrit plus loin. A leur sommet, les piles sont fermées par un même couvercle 22 obturant les volumes internes 21 de façon hermétique. Les plateaux 13 sont supportés par l'intermédiaire de colonnes ou chandelles 12b (figures 1 et 3).

La figure 4 montre un agrandissement de la figure 2 au niveau d'une section de pile de substrats 20 entre le plateau support inférieur 11 et un plateau support intermédiaire 12. Sur cette figure, on peut voir qu'un substrat poreux 20 est séparé d'un substrat adjacent par une ou plusieurs cales d'espacement 23 qui définissent des intervalles 24. Les cales 23, par exemple disposées radialement par rapport à l'axe d'une pile, sont aménagées pour former des passages faisant communiquer le volume interne 21 avec le volume externe 25 situé à l'extérieur des piles, dans l'enceinte 10.

Les passages ménagés par les cales 23 pourront offrir une section de passage plus ou moins restreinte de manière à permettre l'existence d'un gradient de pression entre les volumes 21 et 25, comme décrit dans la demande de brevet FR 2821859, on parle alors de densification par CVI à flux forcé (section de passage quasi nulle) ou semi-forcé (section de passage non nulle).

L'enceinte 10 comprend une paroi chauffée 10a qui constitue ici un suscepteur délimitant latéralement l'enceinte 10. Plus précisément, la paroi 10a constitue ici un induit qui est couplé inductivement avec un inducteur 15 présent autour de l'enceinte 10.

Une phase gazeuse (ou gaz réactif) contenant un ou plusieurs constituants précurseur de carbone est introduite dans l'enceinte 10 au travers des ports d'alimentation 14, puis est acheminée par les canaux du disque d'injection 13 jusqu'aux volumes internes 21 des piles. Comme le volume interne des piles 21 est fermé de façon hermétique à une extrémité supérieure par le couvercle 22, au moins une partie de la phase gazeuse doit traverser les substrats poreux 20 pour les densifier. Une fois que la phase gazeuse a traversé les substrats 20, elle atteint le volume externe 25 et peut être enfin évacuée par un (ou plusieurs) port d'évacuation ménagé dans une paroi supérieure de l'enceinte 10 qui peut être associé éventuellement à des moyens d'aspiration (non représentés). On notera que la paroi supérieure de l'enceinte 10 peut comprendre plusieurs ports d'évacuation dont le nombre sera par exemple adapté à la taille de l'enceinte 10 et au nom de piles à l'intérieur de celle-ci. Typiquement, la phase gazeuse comprend un gaz vecteur et un ou plusieurs précurseurs gazeux de matrice. On notera que le gaz vecteur peut lui-même comprendre un ou plusieurs précurseur(s) gazeux de matrice. Pour former une matrice carbonée on peut utiliser en tant que précurseur gazeux du méthane, du propane ou un mélange des deux. Le gaz vecteur peut être du gaz naturel. Dans une variante non illustrée, l'installation peut en outre comprendre une zone de préchauffage de la phase gazeuse dans une partie inférieure de l'enceinte 10 pour chauffer la phase gazeuse avant qu'elle ne pénètre dans le volume interne 21 des piles de substrats 20.

Dans l'exemple illustré, le chargement de substrats poreux 20 est adapté à la forme cylindrique autour de l'axe X de l'enceinte 10. En particulier, comme cela est visible sur la figure 3, les piles de substrats poreux 20 sont réparties dans l'enceinte 10 autour de l'axe X en plusieurs groupes selon la distance qui sépare les piles de la paroi 10a, étant entendu la « distance » correspond à la distance minimale qui sépare une pile de la paroi 10a. Le chargement peut être divisé en un premier groupe de piles 31 (premières piles, ou piles radialement le plus à l'extérieur par rapport à l'axe X) situées à une distance dl de la paroi 10a ; un deuxième groupe de piles 32 (deuxièmes piles, ou piles intermédiaires) situées à une distance d2, supérieure à la distance dl, de la paroi 10a ; et une pile 33 (troisième pile, ou pile centrale) centrée sur l'axe X de l'enceinte 10. Dans l'exemple illustré, le premier groupe 31 comprend douze piles et le deuxième groupe 32 comprend six piles. En d'autres termes, les piles du premier groupe de piles 31 sont plus proches de la paroi 10a que les piles du deuxième groupe de piles 32, qui sont elles-mêmes plus proches de la paroi 10a que la pile 33.

Comme expliqué en introduction, la présence d'un gradient de température au sein de l'enceinte 10, inhérent au fait que la paroi 10a est chauffée, modifie la cinétique de densification en fonction de la position d'une pile dans l'enceinte 10. Avec un procédé selon l'art antérieur, la troisième pile 33 est densifiée plus lentement que les piles du deuxième groupe de piles 32, qui sont elles-mêmes densifiées plus lentement que les piles du premier groupe de piles 31.

Selon l'invention, au cours d'un cycle de densification dans lequel on injecte dans le volume interne de chaque pile de substrats une phase gazeuse comprenant un précurseur gazeux d'un matériau de matrice à déposer au sein de la porosité des substrats, la quantité de matière Q3 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la pile 33 est supérieure à la quantité de matière Q2 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans les piles du deuxième groupe de piles 32, qui est ellemême supérieure à la quantité de matière Q1 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans les piles du premier groupe de piles 31. L'écart relatif (Q3-Q2)/Q3 ou (Q2-Q1)/Q2 peut être par exemple d'au moins 10%.

En pratique, il est possible d'augmenter la quantité de matière en précurseur gazeux injectée par unité de temps dans une pile soit en augmentant le taux de dopage de la phase gazeuse injectée, c'est-à-dire en augmentant la proportion molaire de précurseur gazeux dans la phase gazeuse, soit en augmentant le débit de phase gazeuse injectée dans la pile, soit en augmentant le taux de dopage et le débit simultanément.

Dans le mode de réalisation illustré, on a représenté schématiquement par des flèches sur la figure 2 des systèmes d'alimentation 41, 42 et 43 pour alimenter en phase gazeuse les piles de substrats 20 dans l'enceinte 10. Les systèmes d'alimentation 41, 42 et 43 sont reliés aux ports d'alimentation 14 de l'enceinte 10. Le premier système d'alimentation 41 est ici configuré pour alimenter l'ensemble des piles du premier groupe de piles 31, le deuxième système d'alimentation 42 est configuré pour alimenter l'ensemble des piles du deuxième groupe de piles 32 et le troisième système d'alimentation 43 est configuré pour alimenter la pile 33. Les systèmes d'alimentation 41, 42 et 43 sont paramétrés avec un débit d'injection de phase gazeuse indépendant, et sont alimentés avec des phases gazeuses indépendantes, de manière à pouvoir contrôler le débit et le taux de dopage de la phase gazeuse au niveau de chaque pile ou groupe de pile qui est situé à une même distance de la paroi 10a. Dans une variante non illustrée, il peut y avoir autant de systèmes d'alimentation que de piles de substrats 20.

Exemples

On a réalisé la densification de préformes fibreuses de disques de frein en carbone à l'aide d'une phase gazeuse comprenant du gaz naturel et du propane en tant que précurseur gazeux de matrice dans une installation de densification comme celle décrite précédemment. Les tableaux 1 à 3 suivants montrent les différents paramètres qui ont été modifiés selon la ou les piles du chargement considérée(s), toutes choses étant égales par ailleurs.

Exemple 1	Groupe de piles 31	Groupe de piles 32	Pile 33
taux dopage	20%	25%	30%

Tableau 1

Exemple 2	Groupe de piles 31	Groupe de piles 32	Pile 33
débit	100%	110%	120%

Tableau 2

Exemple 3	Groupe de piles 31	Groupe de piles 32	Pile 33
taux dopage	20%	22,5%	25%
débit	100%	105%	110%

Tableau 3

Les conditions opératoires des exemples 1 à 3 ont permis une réduction de la durée nécessaire pour densifier tous les substrats des piles présentes dans l'enceinte d'au moins 10%.

On notera que l'invention s'applique également à d'autres formes d'enceintes et de chargements que ceux décrits ci-avant, en particulier l'enceinte pourrait être de forme parallélépipédique. L'invention peut également s'appliquer à des procédés dans lesquels on fait varier le taux de dopage ou le débit au cours du temps de manière uniforme dans toutes les piles, tant que le rapport entre les quantités de matière par unité de temps selon la position des piles par rapport à la paroi chauffée de l'enceinte est conservé. Enfin, l'invention peut s'appliquer à d'autres types de substrats poreux annulaires et de phases gazeuses.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux (20) présentant un passage central (20a), les substrats étant disposés dans une enceinte (10) délimitée par une paroi chauffée (10a) et agencés en au moins une première (31) et une deuxième (32) pile de substrats, chaque pile de substrats définissant un volume interne (21) formé par les passages centraux des substrats empilés, les première et deuxième piles de substrats étant situées respectivement à une première (dl) et à une deuxième (d2) distances de la paroi chauffée, la première distance étant inférieure à la deuxième distance, le procédé comprenant au moins une étape d'injection dans le volume interne de chaque pile de substrats d'une phase gazeuse comprenant un précurseur gazeux d'un matériau de matrice à déposer au sein de la porosité des substrats, caractérisé en ce que la quantité de matière Q2 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la deuxième pile est supérieure à la quantité de matière Q1 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la première pile.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le taux de dopage en précurseur gazeux de la phase gazeuse injectée dans la deuxième pile (32) est supérieur au taux de dopage en précurseur gazeux de la phase gazeuse injectée dans la première pile (31).
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le débit d'injection de la phase gazeuse dans la deuxième pile (32) est supérieur au débit d'injection de la phase gazeuse dans la première pile (31).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le précurseur gazeux comprend du propane.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'enceinte (10) est délimitée par un suscepteur (10a) couplé à un inducteur (15).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel un écart relatif (Q2-Q1)/Q2 est d'au moins 10%.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une troisième pile de substrats (33) est présente dans l'enceinte, la troisième pile de substrats étant située à une troisième distance (d3) de la paroi chauffée (10a) supérieure à la deuxième distance (d2), et dans lequel la quantité de matière Q3 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la troisième pile est supérieure à la quantité de matière Q2 injectée par unité de temps dans la deuxième pile.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel plusieurs piles de substrats situées à une même distance de la paroi chauffée sont alimentées par un même système d'alimentation (41, 42, 43) en phase gazeuse.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'enceinte est de forme cylindrique autour d'un axe (X).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque substrat annulaire poreux (20) comprend du carbone.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel chaque substrat annulaire poreux (20) constitue une préforme fibreuse de disque de frein.