FR3095202A1 - Oxide bush for oxide / oxide composites - Google Patents
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Abstract
Douille en oxyde pour matériaux composites oxyde/oxyde La présente invention concerne une préforme fibreuse d’un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une douille (100) monolithique composée d’un oxyde, caractérisée en ce que la surface de la douille au contact de la préforme fibreuse (S1) comporte au moins un épaulement (14) pris en sandwich entre des fibres (15) de la préforme fibreuse (101). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.The present invention relates to a fiber preform of a composite material with a ceramic matrix of the oxide / oxide type comprising at least one monolithic bush (100) composed of an oxide, characterized in that the surface of the sleeve in contact with the fiber preform (S1) comprises at least one shoulder (14) sandwiched between fibers (15) of the fiber preform (101). Figure for the abstract: Fig. 1.
Description
La présente invention s’inscrit dans le domaine technique des pièces en matériaux composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde et plus particulièrement des moyens d’assemblage de telles pièces.The present invention falls within the technical field of parts made of composite materials with a ceramic matrix of the oxide/oxide type and more particularly of means for assembling such parts.
Les matériaux composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde présentent une microporosité très élevée ce qui leur confère de bonnes propriétés dissipatives de chaleur pour un poids relativement peu élevé. Ils conviennent pour des applications pour des pièces de turbomachine, notamment pour des pièces en sortie de tuyère. Néanmoins, leur microporosité élevée est associée à une résistance mécanique peu élevée, notamment en termes de résistance au matage ou de tenue en compression. Il est par conséquent nécessaire, lors de l’assemblage de telles pièces de travailler avec des couples de serrage peu élevés pour générer peu de contraintes et ne pas endommager localement les composites. Il faut de plus prévoir un grand nombre de points de fixation ce qui alourdit l’ensemble de la structure, et n’est donc pas souhaitable pour une application aéronautique. Par ailleurs, les matériaux composites sont difficiles à usiner une fois formés. Ainsi, les moyens de fixation par des liaisons boulonnées ou rivetées qui nécessitent le perçage d’une pièce en matériau composite n’apportent pas une entière satisfaction quand il s’agit d’assembler des pièces en matériaux composites.Composite materials with a ceramic matrix of the oxide/oxide type have a very high microporosity which gives them good heat dissipation properties for a relatively low weight. They are suitable for applications for turbomachine parts, in particular for parts at the nozzle outlet. Nevertheless, their high microporosity is associated with low mechanical strength, particularly in terms of resistance to matting or compressive strength. It is therefore necessary, when assembling such parts, to work with low tightening torques to generate few stresses and not locally damage the composites. It is also necessary to provide a large number of fixing points, which weighs down the entire structure, and is therefore not desirable for an aeronautical application. In addition, composite materials are difficult to machine once formed. Thus, the means of fixing by bolted or riveted connections which require the drilling of a part made of composite material do not provide complete satisfaction when it comes to assembling parts made of composite materials.
Il demeure un besoin pour un produit permettant de fixer des pièces en matériaux composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde qui soit dénué des limitations précitées.There remains a need for a product making it possible to fix parts made of composite materials with a ceramic matrix of the oxide/oxide type which is devoid of the aforementioned limitations.
La présente invention vise précisément à répondre à ce besoin.The present invention aims precisely to meet this need.
Dans un mode de réalisation, l’invention concerne une préforme fibreuse d’un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une douille monolithique composée d’un oxyde, caractérisée en ce que la surface de la douille au contact de la préforme fibreuse comporte au moins un épaulement pris en sandwich entre des fibres de la préforme fibreuse.In one embodiment, the invention relates to a fibrous preform of a composite material with a ceramic matrix of the oxide/oxide type comprising at least one monolithic sleeve composed of an oxide, characterized in that the surface of the sleeve in contact with the fiber preform includes at least one shoulder sandwiched between fibers of the fiber preform.
La douille composée d’un oxyde, permet d’augmenter localement les propriétés mécaniques du matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde, obtenu après densification de la préforme et notamment sa résistance au matage ou en compression.The sleeve composed of an oxide, makes it possible to locally increase the mechanical properties of the composite material with a ceramic matrix of the oxide/oxide type, obtained after densification of the preform and in particular its resistance to caulking or compression.
En effet, les oxydes monolithiques possèdent d’excellentes capacités de tenue en compression ou en matage. Ceci permet d’atteindre au niveau des douilles des couples de serrage inaccessibles avec seulement la matrice oxyde.Indeed, monolithic oxides have excellent resistance to compression or matting. This makes it possible to achieve tightening torques at the level of the sockets that are inaccessible with only the oxide matrix.
De plus, le ou les épaulement(s) ménagé(s) à la surface de la douille en contact avec la préforme fibreuse permettent, après densification de la préforme, une excellente tenue mécanique de la douille dans la pièce en matériau composite.In addition, the shoulder(s) provided on the surface of the sleeve in contact with the fiber preform allow, after densification of the preform, excellent mechanical strength of the sleeve in the composite material part.
Dans un mode de réalisation, la douille est réalisée par fabrication additive. Un tel mode de réalisation représente un moyen économique de fabriquer une douille dont les dimensions, en particulier la géométrie du ou des épaulement(s), peuvent être parfaitement maîtrisées.In one embodiment, the sleeve is made by additive manufacturing. Such an embodiment represents an economical means of manufacturing a sleeve whose dimensions, in particular the geometry of the shoulder(s), can be perfectly controlled.
Dans un mode de réalisation, la surface de la douille en contact avec la préforme fibreuse comporte un épaulement circulaire.In one embodiment, the surface of the sleeve in contact with the fiber preform comprises a circular shoulder.
Un tel épaulement est disposé pour être facilement pris en sandwich entre des fibres de la préforme fibreuse lors de la mise en place d’une douille. De plus, une fois la préforme densifiée, l’épaulement inséré dans la pièce en matériau composite assure une forte cohésion entre la douille et la pièce en matériau composite.Such a shoulder is arranged to be easily sandwiched between fibers of the fibrous preform during the establishment of a sleeve. In addition, once the preform has been densified, the shoulder inserted into the composite material part ensures strong cohesion between the sleeve and the composite material part.
Les modes de réalisation de l’invention ne sont pas limités à un seul épaulement circulaire. La douille peut en effet comporter deux ou plus de deux épaulements circulaires. Dans de tels modes de réalisation, des fibres de la première pièce peuvent être intercalées entre chacun des différents épaulements ce qui renforce encore davantage la cohésion entre la douille et la préforme fibreuse.Embodiments of the invention are not limited to a single circular shoulder. The sleeve may in fact comprise two or more than two circular shoulders. In such embodiments, fibers of the first part can be inserted between each of the different shoulders, which further strengthens the cohesion between the sleeve and the fiber preform.
Dans un autre mode de réalisation, la surface de la douille en contact avec la préforme fibreuse comporte une pluralité d’épaulements hélicoïdaux. De tels épaulements assurent une tenue accrue des douilles dans la direction transverse à la douille, mais également lors d’une sollicitation de la douille en cisaillement, par exemple lors du serrage d’une vis dans la douille.In another embodiment, the surface of the sleeve in contact with the fiber preform comprises a plurality of helical shoulders. Such shoulders provide increased hold of the sockets in the direction transverse to the socket, but also when the socket is under shear stress, for example when tightening a screw in the socket.
Dans un mode de réalisation, la douille comporte une première extrémité conique de sorte qu’elle est adaptée pour recevoir une vis à tête conique. Un tel mode de réalisation permet d’utiliser une vis à tête conique sans nécessiter d’usinage préalable ni de la vis, ni de la préforme fibreuse.In one embodiment, the socket has a tapered first end so that it is adapted to receive a tapered head screw. Such an embodiment makes it possible to use a screw with a conical head without requiring prior machining either of the screw or of the fiber preform.
Dans un mode de réalisation, la douille comporte une seconde extrémité plate, de sorte qu’elle est adaptée à accueillir un écrou. Un tel mode de réalisation permet d’utiliser un écrou sans nécessiter d’usinage préalable ni de l’écrou, ni de la préforme fibreuse.In one embodiment, the socket has a second flat end, so that it is adapted to receive a nut. Such an embodiment makes it possible to use a nut without requiring prior machining either of the nut or of the fiber preform.
Dans un mode de réalisation, la douille comporte une première extrémité conique et une seconde extrémité plate. Ce mode de réalisation permet d’obtenir une douille permettant la fixation de la pièce au moyen d’une vis à tête conique et d’un écrou sans nécessiter d’usinage préalable.In one embodiment, the sleeve has a tapered first end and a flat second end. This embodiment makes it possible to obtain a sleeve allowing the fixing of the part by means of a conical head screw and a nut without requiring prior machining.
Dans un mode de réalisation, la douille est composée d’un matériau de composition chimique proche de la matrice oxyde du matériau composite, voire identique à la matrice d’oxyde du matériau composite.In one embodiment, the sleeve is composed of a material with a chemical composition close to the oxide matrix of the composite material, or even identical to the oxide matrix of the composite material.
Ce mode de réalisation permet de proposer une douille dont le comportement en température est proche de celui de la pièce obtenue après densification de la préforme. En particulier, avoir des coefficients de dilatation thermique proches entre la pièce en matériau céramique et la douille permet d’éviter que des contraintes n’apparaissent entre la douille et la pièce en matériau céramique lors d’une sollicitation thermique.This embodiment makes it possible to propose a sleeve whose temperature behavior is close to that of the part obtained after densification of the preform. In particular, having similar coefficients of thermal expansion between the part made of ceramic material and the sleeve makes it possible to prevent stresses from appearing between the sleeve and the part made of ceramic material during thermal stress.
Par exemple, la douille peut être réalisée en alumine, en mullite, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphate, ou un mélange de ces composants.For example, the sleeve can be made of alumina, mullite, silica, zirconia, aluminosilicate or aluminophosphate, or a mixture of these components.
L’invention concerne également une pièce en matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une préforme fibreuse telle que décrite ci-dessus, densifiée par une matrice céramique de type oxyde/oxyde.The invention also relates to a part made of composite material with a ceramic matrix of the oxide/oxide type comprising at least one fibrous preform as described above, densified by a ceramic matrix of the oxide/oxide type.
L’invention concerne également un procédé de préparation d’une pièce en un matériau composite tel que décrit ci-dessus comprenant une étape d’insertion d’au moins une douille telle que décrite ci-dessus au cours du drapage d’une préforme fibreuse d’un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde, et une étape de densification de la préforme fibreuse.The invention also relates to a method for preparing a part made of a composite material as described above comprising a step of inserting at least one sleeve as described above during the draping of a fibrous preform of a composite material with a ceramic matrix of the oxide/oxide type, and a step of densifying the fiber preform.
L’invention est à présent décrite au moyen des figures, présentes à titre illustratif, et ne devant pas être interprétées comme limitant la portée de la présente invention.The invention is now described by means of the figures, present for illustrative purposes, and should not be interpreted as limiting the scope of the present invention.
La figure 1 représente schématiquement une préforme fibreuse 101 comprenant une douille monolithique 100 selon un mode de réalisation de l’invention. La surface de la douille au contact de la préforme fibreuse S1 comporte un épaulement 14 pris en sandwich entre des fibres 15 de la préforme fibreuse.FIG. 1 schematically represents a fibrous preform 101 comprising a monolithic sleeve 100 according to one embodiment of the invention. The surface of the sleeve in contact with the fiber preform S1 comprises a shoulder 14 sandwiched between fibers 15 of the fiber preform.
La préforme fibreuse 101 peut être réalisée par empilements de strates ou plis obtenus par tissage bidimensionnel (2D). La préforme peut également être réalisée directement en une seule pièce par tissage tridimensionnel (3D). Par « tissage bidimensionnel », on entend ici un mode de tissage classique par lequel chaque fil de trame passe d’un côté à l’autre de fils d’une seule couche de chaîne ou inversement. Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », on entend ici un tissage pour lequel des fils de chaine traversent plusieurs couches de fils de trame, ou des fils de trame traversent plusieurs couches de fils de chaine.The fibrous preform 101 can be made by stacking strata or plies obtained by two-dimensional (2D) weaving. The preform can also be made directly in one piece by three-dimensional (3D) weaving. By “two-dimensional weaving”, we mean here a classic weaving mode by which each weft thread passes from one side to the other of threads of a single warp layer or vice versa. By “three-dimensional weaving” or “3D weaving”, we mean here a weaving for which warp yarns cross several layers of weft yarns, or weft yarns cross several layers of warp yarns.
La préforme fibreuse 101 peut également être réalisée par des nappes de fibres unidirectionnelles (UD), qui peuvent être obtenues par placement automatique des fibres (AFP pour « Automated Fibre Placement » selon l’expression anglo-saxonne), ou par enroulement filamentaire.The fibrous preform 101 can also be produced by sheets of unidirectional fibers (UD), which can be obtained by automatic placement of the fibers (AFP for “Automated Fiber Placement” according to the English expression), or by filament winding.
La préforme fibreuse 101 peut être réalisée à partir de fibres constituées des matériaux suivants : l’alumine, la mullite, la silice, un aluminosilicate, un borosilicate, du carbure de silicium, du carbone, ou un mélange de plusieurs de ces matériaux.The fibrous preform 101 can be made from fibers consisting of the following materials: alumina, mullite, silica, an aluminosilicate, a borosilicate, silicon carbide, carbon, or a mixture of several of these materials.
La préforme fibreuse comporte au moins une douille 100 ménageant une ouverture 16 dans la préforme fibreuse 101 et présentant des propriétés mécaniques supérieures à celles de la préforme fibreuse 101.The fibrous preform comprises at least one sleeve 100 forming an opening 16 in the fibrous preform 101 and having mechanical properties superior to those of the fibrous preform 101.
Cette douille 411 permet d’assurer localement une résistance mécanique suffisante pour permettre un assemblage par des moyens de fixation sollicitant la pièce en matage ou en compression, tels que des liaisons boulonnées ou rivetées.This sleeve 411 makes it possible locally to provide sufficient mechanical strength to allow assembly by means of fastening which stress the part in caulking or in compression, such as bolted or riveted connections.
Dans le mode de réalisation représenté, la douille 100 présente une partie cylindrique 10 définissant une ouverture 16 qui permet le passage d’un élément de fixation, par exemple une vis ou un rivet, non représenté. La partie cylindrique 10 de la douille 100 présente de préférence une résistance en cisaillement supérieure à celle du matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde.In the embodiment shown, the sleeve 100 has a cylindrical part 10 defining an opening 16 which allows the passage of a fixing element, for example a screw or a rivet, not shown. The cylindrical part 10 of the sleeve 100 preferably has a shear strength greater than that of the composite material with a ceramic matrix of the oxide/oxide type.
Dans le mode de réalisation représenté, la surface interne de la partie cylindrique 10 de la douille 100 est lisse. Dans un mode de réalisation alternatif non représenté, la partie cylindrique 10 de la douille 100 peut être filetée. Ce mode de réalisation permet une meilleure tenue mécanique dans le cas où une vis est utilisée comme moyen de fixation.In the embodiment shown, the internal surface of the cylindrical part 10 of the sleeve 100 is smooth. In an alternative embodiment not shown, the cylindrical part 10 of the sleeve 100 can be threaded. This embodiment allows better mechanical strength in the case where a screw is used as a fixing means.
Comme représenté en figure 1, la douille 100 peut présenter une première extrémité dotée d’une collerette 11 présentant une face interne 12 conique. Une telle collerette 11 permet l’utilisation de vis à têtes coniques standards sans nécessiter d’usinage préalable ni de la vis, ni de la préforme fibreuse.As shown in Figure 1, the sleeve 100 may have a first end provided with a flange 11 having an internal face 12 conical. Such a collar 11 allows the use of screws with standard conical heads without requiring prior machining either of the screw or of the fiber preform.
De plus, la présence d’une collerette 11 permet d’augmenter la surface de contact S2 entre la douille 100 et la préforme fibreuse. Cette augmentation de la surface de contact permet de mieux répartir l’effort de matage ou de compression sur la matrice céramique de la pièce obtenue après densification de la préforme fibreuse, et ainsi augmenter la résistance au matage et en cisaillement au niveau de la douille.In addition, the presence of a flange 11 makes it possible to increase the contact surface S2 between the sleeve 100 and the fiber preform. This increase in the contact surface makes it possible to better distribute the matting or compression force on the ceramic matrix of the part obtained after densification of the fiber preform, and thus to increase the resistance to matting and shearing at the level of the sleeve.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, la douille peut présenter une première extrémité plane pour accueillir les vis à têtes planes ou une collerette cylindrique pour accueillir les vis à têtes cylindriques.In another embodiment, not shown, the sleeve may have a flat first end to accommodate the screws with flat heads or a cylindrical collar to accommodate the screws with cylindrical heads.
Comme représenté en figure 1, la douille peut présenter une deuxième extrémité 13 plate, de sorte qu’elle permette d’assurer un contact optimal avec un écrou.As shown in Figure 1, the sleeve may have a second end 13 flat, so that it ensures optimum contact with a nut.
Dans un mode de réalisation, la douille présente une première extrémité 11 conique, et une seconde extrémité 13 plate, de sorte qu’elle soit adaptée à recevoir une vis à tête conique et un écrou.In one embodiment, the sleeve has a conical first end 11, and a flat second end 13, so that it is adapted to receive a conical head screw and a nut.
L’invention concerne également une pièce en matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une préforme fibreuse telle que décrite ci-dessus, densifiée par une matrice céramique de type oxyde/oxyde.The invention also relates to a part made of composite material with a ceramic matrix of the oxide/oxide type comprising at least one fibrous preform as described above, densified by a ceramic matrix of the oxide/oxide type.
Dans un mode de réalisation, illustré par la figure 2, la douille 200 peut présenter plusieurs épaulements circulaires 24.In one embodiment, illustrated by Figure 2, the sleeve 200 may have several circular shoulders 24.
Dans un autre mode de réalisation illustré à la figure 3, la douille peut présenter des épaulements 34 de formes hélicoïdales. La géométrie hélicoïdale des épaulements permet d’assurer une bonne tenue de la douille que celle-ci soit sollicitée dans le sens vertical de son ouverture 16 ou dans le sens d’une sollicitation par une contrainte de cisaillement, par exemple lors du vissage ou du dévissage d’un moyen de fixation la traversant.In another embodiment illustrated in Figure 3, the sleeve may have shoulders 34 of helical shapes. The helical geometry of the shoulders makes it possible to ensure good hold of the sleeve whether the latter is stressed in the vertical direction of its opening 16 or in the direction of a stress by a shear stress, for example during screwing or unscrewing of a fastening means passing through it.
L’invention concerne également une pièce en matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une préforme fibreuse telle que décrite ci-dessus, densifiée par une matrice céramique de type oxyde/oxyde.The invention also relates to a part made of composite material with a ceramic matrix of the oxide/oxide type comprising at least one fibrous preform as described above, densified by a ceramic matrix of the oxide/oxide type.
Dans un mode de réalisation, la matrice céramique d’une telle pièce peut être en alumine, en mullite, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphate, ou un mélange de ces composants.In one embodiment, the ceramic matrix of such a part may be alumina, mullite, silica, zirconia, aluminosilicate or aluminophosphate, or a mixture of these components.
L’invention concerne également un procédé de préparation d’un matériau composite comprenant une étape d’insertion d’au moins une douille telle que décrite ci-dessus au cours du drapage d’une préforme fibreuse d’un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde, et une étape de densification de la préforme fibreuse.The invention also relates to a process for preparing a composite material comprising a step of inserting at least one sleeve as described above during the draping of a fibrous preform of a composite material with a ceramic matrix of oxide/oxide type, and a step of densification of the fibrous preform.
L’étape de drapage peut correspondre à l’empilement de strates ou plis décrits ci-dessus pour former la préforme fibreuse. Le placement des douilles d’oxyde au stade du drapage permet d’assurer que l’épaulement de la douille soit effectivement pris en sandwich entre différentes fibres de la préforme fibreuse. Le cas échéant, il est possible de repositionner correctement la douille, sans avoir à recommencer l’intégralité du procédé.The draping step may correspond to the stacking of strata or folds described above to form the fibrous preform. Placement of the oxide sleeves at the draping stage ensures that the shoulder of the sleeve is effectively sandwiched between different fibers of the fiber preform. If necessary, it is possible to reposition the sleeve correctly, without having to repeat the entire process.
Dans un mode de réalisation, une même préforme fibreuse peut comporter plusieurs douilles, de sorte que la pièce en matériau composite obtenue après densification de la préforme présente plusieurs ouvertures.In one embodiment, the same fibrous preform can comprise several sleeves, so that the composite material part obtained after densification of the preform has several openings.
Dans un mode de réalisation, les fibres peuvent être pré-imprégnées par exemple au moyen d’une barbotine chargée de particules céramiques d’oxyde. Une telle pré-imprégnation permet d’obtenir une phase de matrice plus homogène après densification de la préforme fibreuse.In one embodiment, the fibers can be pre-impregnated, for example by means of a slip loaded with ceramic oxide particles. Such a pre-impregnation makes it possible to obtain a more homogeneous matrix phase after densification of the fibrous preform.
Pour l’obtention d’une matrice céramique de type oxyde, les particules peuvent être en alumine, en mullite, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphate, ou un mélange de ces composants.To obtain a ceramic matrix of the oxide type, the particles can be made of alumina, mullite, silica, zirconia, aluminosilicate or aluminophosphate, or a mixture of these components.
L’étape de densification de la préforme fibreuse comprenant une douille peut être réalisée par un procédé connu en soit.The step of densifying the fibrous preform comprising a sleeve can be carried out by a process known per se.
Bien entendu, le procédé de densification est choisi de sorte que la douille composée d’un oxyde ne soit pas affectée par le procédé de densification.Of course, the densification process is chosen so that the sleeve made of an oxide is not affected by the densification process.
Dans un mode de réalisation, le procédé de densification de la préforme est réalisé par moulage par transfert de résine.In one embodiment, the preform densification process is performed by resin transfer molding.
Dans un mode de réalisation, la barbotine utilisée pour un tel moulage par transfert de résine peut être une barbotine chargée de particules céramiques d’oxyde.In one embodiment, the slip used for such resin transfer molding may be a slip filled with ceramic oxide particles.
Comme dans l’étape de pré-imprégnation, les particules composant la barbotine pour le moulage par transfert de résine peuvent être en alumine, en mullite, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphate, ou un mélange de ces composants.As in the preimpregnation step, the particles composing the slip for resin transfer molding can be alumina, mullite, silica, zirconia, aluminosilicate or aluminophosphate, or a mixture of these components.
Dans un mode de réalisation, l’étape de densification de la préforme fibreuse peut être suivie d’étapes supplémentaires telles qu’un frittage à haute température, ou une étape d’usinage final.In one embodiment, the fibrous preform densification step can be followed by additional steps such as high temperature sintering, or a final machining step.
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US20190040760A1 (en) * | 2017-08-03 | 2019-02-07 | Rolls-Royce Corporation | Reinforced oxide-oxide ceramic matrix composite (cmc) component and method of making a reinforced oxide-oxide cmc component |
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Patent Citations (2)
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