FR3101629A1 - Manufacturing process of a part in CMC - Google Patents

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General Electric Co
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Safran Ceramics SA
General Electric Co
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Abstract

Procédé de fabrication d’une pièce en CMC L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en CMC avec une phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un haut module de Young. Figure pour l’abrégé : Fig.2.Method of manufacturing a part in CMC The invention relates to a method of manufacturing a part in CMC with a consolidation phase comprising silicon carbide and having a high Young's modulus. Figure for the abstract: Fig. 2.

Description

Procédé de fabrication d'une pièce en CMCManufacturing process of a CMC part

L'invention concerne des pièces en composite à matrice céramique (CMC) et des procédés pour fabriquer de telles pièces.The invention relates to ceramic matrix composite (CMC) parts and methods for making such parts.

Un domaine d'application de l'invention réside dans la réalisation de pièces qui sont destinées à être exposées à des températures de service élevées, spécifiquement dans les domaines de l'aviation et de l'espace, et en particulier de pièces pour les parties chaudes des moteurs à turbine d'avion, étant entendu que l'invention peut être appliquée à d'autres domaines, par exemple au domaine des turbines à gaz industrielles.A field of application of the invention resides in the production of parts which are intended to be exposed to high service temperatures, specifically in the fields of aviation and space, and in particular of parts for parts hot air turbine engines, it being understood that the invention can be applied to other fields, for example to the field of industrial gas turbines.

Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés thermostructurales, c'est-à-dire de bonnes propriétés mécaniques qui les rendent adaptés à la constitution de pièces structurales, conjointement avec l'aptitude à conserver ces propriétés à des températures élevées. Les matériaux CMC comprennent un renfort fibreux fait de câbles de matériaux céramiques ou carbonés présents dans une matrice céramique. L'utilisation de matériaux CMC au lieu de matériaux métalliques pour des pièces qui sont exposées à des températures de service élevées est souhaitable, en particulier car ces matériaux présentent une masse volumique qui est considérablement inférieure à la masse volumique des matériaux métalliques qu'ils remplacent.CMC materials have good thermostructural properties, that is to say good mechanical properties which make them suitable for the constitution of structural parts, together with the ability to retain these properties at high temperatures. CMC materials comprise a fibrous reinforcement made of cables of ceramic or carbonaceous materials present in a ceramic matrix. The use of CMC materials instead of metallic materials for parts that are exposed to high service temperatures is desirable, especially since these materials have a density that is considerably lower than the density of the metallic materials they replace .

On sait notamment fabriquer une pièce en CMC au moyen d'une technique dans laquelle des plis de fibres revêtues d'une interphase sont imprégnés par un mélange de résine et ensuite superposés dans l'orientation souhaitée pour que soit obtenue une préforme de la pièce à obtenir. Après la formation de la préforme, la résine est pyrolysée et ensuite une densification de la préforme est effectuée par infiltration avec du silicium fondu ou un alliage de silicium fondu pour former une matrice céramique. Les inventeurs ont observé que le produit ainsi obtenu peut ne pas être entièrement satisfaisant parce que des couches de matrice entre chaque pli peuvent conduire à une faiblesse au fluage à température, due à la présence de silicium libre. Dans ce type de produit, les phases de matrice incorporées, caractérisées par une faible résistance au fluage, sous la forme de silicium libre dans la matrice obtenue par infiltration à l'état fondu, peuvent conduire à une surcharge des fibres dépassant leur résistance au fluage et donc à une diminution du temps de rupture.It is known in particular to manufacture a CMC part by means of a technique in which plies of fibers coated with an interphase are impregnated with a mixture of resin and then superimposed in the desired orientation so as to obtain a preform of the part to be get. After the formation of the preform, the resin is pyrolyzed and then a densification of the preform is carried out by infiltration with molten silicon or a molten silicon alloy to form a ceramic matrix. The inventors have observed that the product thus obtained may not be entirely satisfactory because layers of matrix between each ply may lead to weakness in creep at temperature, due to the presence of free silicon. In this type of product, the embedded matrix phases, characterized by low creep resistance, in the form of free silicon in the matrix obtained by melt infiltration, can lead to an overload of the fibers exceeding their creep resistance. and therefore to a reduction in the breaking time.

Il est donc souhaitable de mettre à disposition des pièces en CMC ayant de meilleures propriétés mécaniques, et en particulier une meilleure résistance au fluage, aux températures élevées.It is therefore desirable to provide CMC parts having better mechanical properties, and in particular better resistance to creep, at high temperatures.

La présente invention met à disposition un procédé de fabrication d'une pièce en CMC, le procédé comprenant au moins :
- le revêtement d'une pluralité de câbles avec une interphase par transport des câbles à travers une chambre de traitement dans laquelle une phase gazeuse est injectée, les câbles étant mis sous tension durant leur transport et l'interphase étant formée par dépôt en phase vapeur à partir de la phase gazeuse injectée ;
- la formation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel utilisant les câbles revêtus de l'interphase ; et
- la formation d'une préforme fibreuse consolidée par traitement de la préforme fibreuse par infiltration chimique en phase vapeur pour former une phase de consolidation sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa.
The present invention provides a method for manufacturing a CMC part, the method comprising at least:
- coating a plurality of cables with an interphase by transporting the cables through a processing chamber into which a gaseous phase is injected, the cables being tensioned during their transport and the interphase being formed by vapor deposition from the injected gas phase;
- the formation of a fibrous preform by three-dimensional weaving using the cables coated with the interphase; And
- forming a consolidated fibrous preform by treating the fibrous preform by chemical vapor infiltration to form a consolidation phase on the interphase, the consolidation phase comprising silicon carbide and having a Young's modulus greater than or equal to at 350 GPa.

Sauf mention contraire, le module de Young de la phase de consolidation est mesuré à 20°C.Unless otherwise stated, the Young's modulus of the consolidation phase is measured at 20°C.

La combinaison du renfort obtenu par tissage tridimensionnel et de la phase de consolidation de carbure de silicium obtenue par infiltration chimique en phase vapeur (CVI) avec un module élevé conduit à un réseau 3D interconnecté et rigide sans silicium libre, qui confère au matériau une résistance au fluage élevée à haute température. Les inventeurs ont aussi observé que la formation de l'interphase par dépôt en phase vapeur sur un câble transporté sous tension réalise un revêtement individuel autour de chaque fibre du câble, ainsi qu'un bon remplissage intra-câble, du fait d'un effet avantageux de l'espacement des fibres dans le câble. Le remplissage du câble est donc plus homogène en comparaison avec la formation de l'interphase par CVI sur les fibres d'une préforme déjà tissée dans laquelle la perméabilité aux gaz des câbles est limitée. Dans l'invention, l'interphase formée offre notamment un meilleur transfert de charge de fibre à fibre et aussi évite le risque d'une liaison vitreuse (« glass linkage ») et d'une rupture de faisceaux de fibres adjacentes durant une exposition oxydante. La solution proposée par la présente invention met donc à disposition une pièce en CMC ayant de meilleures propriétés mécaniques aux températures élevées.The combination of the reinforcement obtained by three-dimensional weaving and the silicon carbide consolidation phase obtained by chemical vapor infiltration (CVI) with a high modulus leads to an interconnected and rigid 3D network without free silicon, which gives the material a resistance to high creep at high temperature. The inventors have also observed that the formation of the interphase by vapor phase deposition on a cable transported under tension produces an individual coating around each fiber of the cable, as well as a good intra-cable filling, due to an effect advantage of the spacing of the fibers in the cable. The filling of the cable is therefore more homogeneous in comparison with the formation of the interphase by CVI on the fibers of an already woven preform in which the gas permeability of the cables is limited. In the invention, the formed interphase notably offers better fiber-to-fiber load transfer and also avoids the risk of glassy bonding ("glass linkage") and rupture of adjacent fiber bundles during oxidative exposure. . The solution proposed by the present invention therefore provides a CMC part having better mechanical properties at high temperatures.

Dans un mode de réalisation, la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa, par exemple supérieur ou égal à 400 GPa.In one embodiment, the consolidation phase has a Young's modulus greater than or equal to 375 GPa, for example greater than or equal to 400 GPa.

Cette caractéristique améliore davantage encore la résistance au fluage de la pièce en CMC.This feature further improves the creep resistance of the CMC part.

Dans un mode de réalisation, la porosité volumique résiduelle de la préforme fibreuse consolidée est située dans la plage allant de 25 % à 45 %, par exemple dans la plage allant de 30 % à 35 %.In one embodiment, the residual volume porosity of the consolidated fiber preform is in the range of 25% to 45%, for example in the range of 30% to 35%.

Les inventeurs ont observé que cette caractéristique optimise avantageusement la résistance au fluage aux températures élevées.The inventors have observed that this characteristic advantageously optimizes the resistance to creep at high temperatures.

Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre la densification de la préforme fibreuse consolidée par formation d'une phase de matrice en carbure de silicium sur la phase de consolidation par infiltration avec une composition fondue comprenant du silicium, des particules de carbone et/ou de céramique étant présentes dans la porosité de la préforme consolidée avant l'infiltration.In one embodiment, the method further comprises densifying the consolidated fibrous preform by forming a silicon carbide matrix phase on the consolidation phase by infiltration with a molten composition comprising silicon, carbon particles and / or ceramic being present in the porosity of the consolidated preform before infiltration.

Cette caractéristique conduit avantageusement à une matrice en céramique ayant une faible porosité, ce qui réduit ainsi les concentrations de contrainte sous charge mécanique et améliore la résistance de la matrice aux fissurations.This feature advantageously leads to a ceramic matrix having low porosity, thereby reducing stress concentrations under mechanical load and improving the resistance of the matrix to cracking.

Dans un mode de réalisation, l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique ou carbone dopé au bore. Dans un exemple, l'interphase peut être recouverte d'une couche protectrice d'au moins l'un des matériaux suivants : nitrure de silicium ou carbure de silicium.In one embodiment, the interphase is formed of at least one layer of the following materials: boron nitride, boron nitride doped with silicon, pyrolytic carbon or carbon doped with boron. In one example, the interphase can be covered with a protective layer of at least one of the following materials: silicon nitride or silicon carbide.

Dans un mode de réalisation, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique.In one embodiment, the cables include silicon carbide fibers having an oxygen content that is less than or equal to 1 atomic percent.

La présente invention met aussi à disposition une pièce en CMC comprenant au moins :
- un renfort fibreux tissé 3D comprenant une pluralité de câbles, les câbles ayant une pluralité de fibres qui sont revêtues individuellement d'une interphase ; et
- une phase de consolidation densifiant le renfort fibreux et située sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa, la phase de consolidation ne contenant pas de silicium libre.
The present invention also provides a CMC part comprising at least:
- a 3D woven fibrous reinforcement comprising a plurality of tows, the tows having a plurality of fibers which are individually coated with an interphase; And
- a consolidation phase densifying the fibrous reinforcement and located on the interphase, the consolidation phase comprising silicon carbide and having a Young's modulus greater than or equal to 350 GPa, the consolidation phase not containing free silicon.

Cette pièce en CMC peut être obtenue par mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus.This CMC part can be obtained by implementing the method described above.

Dans un mode de réalisation, la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa, par exemple supérieur ou égal à 400 GPa.In one embodiment, the consolidation phase has a Young's modulus greater than or equal to 375 GPa, for example greater than or equal to 400 GPa.

Comme indiqué ci-dessus, cette caractéristique améliore davantage encore la résistance au fluage de la pièce en CMC.As noted above, this feature further improves the creep resistance of the CMC part.

Dans un mode de réalisation, la fraction volumique de la phase de consolidation est située dans la plage allant de 5 % à 30 %, par exemple dans la plage allant de 10 % à 30 %.In one embodiment, the volume fraction of the consolidation phase is in the range of 5% to 30%, for example in the range of 10% to 30%.

Cette caractéristique optimise avantageusement la résistance au fluage aux températures élevées.This characteristic advantageously optimizes the resistance to creep at high temperatures.

Dans un mode de réalisation, la pièce comprend en outre une phase de matrice en carbure de silicium située sur la phase de consolidation, ladite phase de matrice en carbure de silicium ayant une porosité volumique résiduelle inférieure ou égale à 8 %.In one embodiment, the part also comprises a silicon carbide matrix phase located on the consolidation phase, said silicon carbide matrix phase having a residual volume porosity less than or equal to 8%.

Comme indiqué ci-dessus, cette caractéristique réduit avantageusement les concentrations de contrainte sous charge mécanique et améliore la résistance de la matrice aux fissurations.As indicated above, this feature advantageously reduces stress concentrations under mechanical load and improves the resistance of the matrix to cracking.

Dans un mode de réalisation, l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique, et carbone dopé au bore.In one embodiment, the interphase is formed of at least one layer of the following materials: boron nitride, silicon-doped boron nitride, pyrolytic carbon, and boron-doped carbon.

Dans un mode de réalisation, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique.In one embodiment, the cables include silicon carbide fibers having an oxygen content that is less than or equal to 1 atomic percent.

A titre d'exemple, la pièce peut être une pièce de moteur à turbine. A titre d'exemple, la pièce peut être un anneau de turbine ou un secteur d’anneau de turbine, une aube mobile, une aube fixe, une paroi de chambre de combustion, ou un distributeur.By way of example, the part may be a turbine engine part. By way of example, the part can be a turbine ring or a sector of a turbine ring, a moving blade, a stationary blade, a combustion chamber wall, or a distributor.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à partir de la description qui suit, qui est présentée de manière non limitative et en référence aux dessins joints, dans lesquels :Other features and advantages of the invention will become apparent from the following description, which is presented in a non-limiting manner and with reference to the accompanying drawings, in which:

La figure 1 est un ordinogramme d'un exemple d'un procédé selon l'invention ; et Figure 1 is a flowchart of an example of a method according to the invention; And

La figure 2 illustre d'une façon générale un dispositif pour former l'interphase sur les câbles alors qu'ils sont transportés à travers une chambre de traitement qui peut être utilisé dans l'invention. Figure 2 generally illustrates a device for forming the interphase on cables as they are transported through a processing chamber which may be used in the invention.

Le procédé commence par le revêtement des câbles avec une interphase au moyen de la mise en œuvre d'un dépôt en phase vapeur (étape S10 sur la figure 1).The method begins by coating the cables with an interphase by means of implementing vapor deposition (step S10 in Fig. 1).

Les câbles peuvent comprendre des fibres céramiques, par exemple des fibres de nitrure ou de carbure, par exemple des fibres de carbure de silicium. Dans une autre variante, les câbles peuvent comprendre des fibres de carbone. Dans un exemple, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. Des exemples de tels câbles sont commercialisés sous le nom "Hi-Nicalon-S" par la société NGS, sous le nom "Tyranno SA3" par le fournisseur UBE, ou sous le nom "Sylramic i-BN" par le fournisseur COI Ceramics. Un câble comprend une pluralité de fibres, par exemple au moins cent fibres, typiquement 500 fibres.The cables can comprise ceramic fibers, for example nitride or carbide fibers, for example silicon carbide fibers. In another variant, the cables can comprise carbon fibers. In one example, the cables include silicon carbide fibers having an oxygen content that is less than or equal to 1 atomic percent. Examples of such cables are marketed under the name “Hi-Nicalon-S” by the company NGS, under the name “Tyranno SA3” by the supplier UBE, or under the name “Sylramic i-BN” by the supplier COI Ceramics. A cable comprises a plurality of fibers, for example at least one hundred fibers, typically 500 fibers.

L'interphase sert à ralentir la rupture des fibres des câbles par des fissures qui commencent initialement dans la matrice. A titre d'exemple, l'interphase de défragilisation peut comprendre un matériau de structure lamellaire qui, pour une fissure atteignant l'interphase, est capable de dissiper l'énergie de fissuration par désolidarisation localisée à l'échelle atomique de façon que la fissure soit déviée dans l'interphase. L'interphase est un revêtement qui peut comprendre une seule couche ou plusieurs couches. L'interphase peut contenir une ou plusieurs couches de : nitrure de bore BN, nitrure de bore dopé au silicium BN(Si) (ayant une teneur massique en silicium située dans la plage allant de 5 % à 40 %, le reste étant du nitrure de bore), carbone pyrolytique PyC ou carbone dopé au bore (ayant une teneur atomique en bore située dans la plage allant de 5 % à 20 %, le reste étant du carbone) ou carbure de bore. L'épaisseur de l'interphase peut être supérieure ou égale à 10 nanomètres (nm), et par exemple peut être située dans la plage allant de 10 nm à 1000 nm. D'une manière connue, il peut être préférable d'effectuer un traitement de surface sur les fibres des câbles avant la formation de l'interphase afin d'éliminer l’ensimage et une couche de surface d'oxyde telle que la silice SiO2présente sur les fibres.The interphase serves to slow down the breakage of cable fibers by cracks that initially start in the matrix. By way of example, the defragilization interphase can comprise a material with a lamellar structure which, for a crack reaching the interphase, is capable of dissipating the cracking energy by localized separation at the atomic scale so that the crack is deviated in the interphase. The interphase is a coating that can comprise a single layer or several layers. The interphase may contain one or more layers of: boron nitride BN, silicon-doped boron nitride BN(Si) (having a mass content of silicon in the range from 5% to 40%, the remainder being nitride boron), pyrolytic carbon PyC or boron-doped carbon (having an atomic content of boron in the range of 5% to 20%, the balance being carbon) or boron carbide. The thickness of the interphase can be greater than or equal to 10 nanometers (nm), and for example can be located in the range from 10 nm to 1000 nm. In a known way, it may be preferable to carry out a surface treatment on the fibers of the cables before the formation of the interphase in order to eliminate the size and a surface layer of oxide such as silica SiO 2 present on the fibers.

Des procédés et dispositifs pour revêtir les câbles d'une interphase formée par dépôt en phase vapeur alors que ces câbles sont transportés sous tension à travers une chambre de traitement sont connus. Concernant cet aspect, il est par exemple possible de se référer au document FR 3 044 022.Methods and devices for coating the cables with an interphase formed by vapor deposition while these cables are transported under tension through a treatment chamber are known. Regarding this aspect, it is for example possible to refer to document FR 3 044 022.

Une brève description d'un exemple d'un dispositif convenable 1 pour former l'interphase sur les câbles 2 est présentée ci-dessous en référence à la Figure 2.A brief description of an example of a suitable device 1 for forming the interphase on the cables 2 is presented below with reference to Figure 2.

Le dispositif 1 comprend une chambre de traitement 4 dans laquelle une pluralité de câbles 2 destinés à être revêtus sont transportés en étant entraînés par un système de convoyage 6, comprenant ici des premier 6a et deuxième 6b ensembles de poulies. Chaque ensemble 6a ou 6b comprend une ou plusieurs poulies. Durant le revêtement, les câbles 2 sont transportés par le système de convoyage 6 de l'extrémité d'entrée 5a à l'extrémité de sortie 5b. Le système de convoyage 6 est configuré pour transporter les câbles 2 à travers la chambre de traitement 4 le long d'un axe de convoyage Y. Dans l'exemple représenté, l'axe de convoyage Y est parallèle à l'axe longitudinal X du dispositif 1. Les câbles 2 sont mis sous tension entre les poulies 6a et 6b et sont mis sous tension entre les extrémités d'entrée et de sortie 5a et 5b. Du fait de la tension appliquée, les fibres des câbles 2 s'écartent, ce qui conduit à un remplissage plus homogène des câbles 2 et à un revêtement individuel des fibres. Les câbles 2 peuvent être transportés en continu à travers la chambre de traitement 4 durant le revêtement avec l'interphase. Dans ce cas, les câbles 2 ne s'arrêtent pas tandis qu'ils sont transportés à travers la chambre de traitement 4.The device 1 comprises a treatment chamber 4 in which a plurality of cables 2 intended to be coated are transported by being driven by a conveying system 6, here comprising first 6a and second 6b sets of pulleys. Each set 6a or 6b includes one or more pulleys. During coating, the cables 2 are transported by the conveying system 6 from the entry end 5a to the exit end 5b. The conveying system 6 is configured to convey the cables 2 through the processing chamber 4 along a conveying axis Y. In the example shown, the conveying axis Y is parallel to the longitudinal axis X of the device 1. Cables 2 are tensioned between pulleys 6a and 6b and are tensioned between input and output ends 5a and 5b. Due to the tension applied, the fibers of the cables 2 move apart, which leads to a more homogeneous filling of the cables 2 and to an individual coating of the fibers. The cables 2 can be transported continuously through the processing chamber 4 during coating with the interphase. In this case, the cables 2 do not stop as they are transported through the treatment chamber 4.

Les câbles 2 qui doivent être revêtus de l'interphase peuvent ne pas être liés entre eux (en particulier les câbles 2 ne sont pas tissés, tricotés, ou tressés ensemble). Les câbles 2 peuvent ne pas avoir été soumis à une opération textile et ne peuvent pas former une structure fibreuse durant le revêtement avec l'interphase.The cables 2 which must be coated with the interphase may not be bonded together (in particular the cables 2 are not woven, knitted, or braided together). The cords 2 may not have been subjected to a textile operation and may not form a fibrous structure during coating with the interphase.

L'interphase est obtenue par injection d'une phase gazeuse 10 dans la chambre de traitement à travers un orifice d'entrée 7 pour former l'interphase sur les câbles 2. L'interphase peut être formée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). L'interphase peut être formée au contact des fibres des câbles. La phase gazeuse n'ayant pas réagi, conjointement avec des sous-produits de la réaction, sont évacués par pompage via un orifice de sortie 8 (flèche 11). Le dispositif 1 comprend aussi un système chauffant configuré pour chauffer la chambre de traitement 4 afin de réaliser de dépôt en phase vapeur. Le système chauffant peut chauffer la chambre de traitement 4 par chauffage inductif ou radiant. Lorsqu'une interphase de PyC doit être formée, la phase gazeuse 10 peut comprendre un ou plusieurs hydrocarbures gazeux, par exemple choisis parmi le méthane, l'éthane, le propane et le butane. Dans une variante, la phase gazeuse 10 peut contenir un précurseur gazeux d’un matériau céramique, tel qu'une combinaison de trichlorure de bore BCl3et d'ammoniac NH3. Afin de produire une interphase donnée, la sélection du ou des précurseurs à utiliser conjointement avec les conditions de pression et de température devant être imposées dans la chambre de traitement 4 font partie des connaissances générales de l'homme du métier.The interphase is obtained by injecting a gaseous phase 10 into the treatment chamber through an inlet 7 to form the interphase on the cables 2. The interphase can be formed by chemical vapor deposition (CVD ). The interphase can be formed in contact with the fibers of the cables. The unreacted gas phase, together with reaction by-products, are pumped out via an outlet port 8 (arrow 11). The device 1 also comprises a heating system configured to heat the processing chamber 4 in order to carry out vapor phase deposition. The heating system can heat the treatment chamber 4 by inductive or radiant heating. When a PyC interphase is to be formed, the gaseous phase 10 can comprise one or more gaseous hydrocarbons, for example chosen from methane, ethane, propane and butane. In a variant, the gaseous phase 10 can contain a gaseous precursor of a ceramic material, such as a combination of boron trichloride BCl 3 and ammonia NH 3 . In order to produce a given interphase, the selection of the precursor or precursors to be used together with the pressure and temperature conditions to be imposed in the treatment chamber 4 are part of the general knowledge of those skilled in the art.

Une interphase multicouche peut être réalisée par placement d'une pluralité d'unités de ce type en série, comprenant chacune un dispositif pour injecter une phase gazeuse et un dispositif pour éliminer la phase gazeuse résiduelle.A multilayer interphase can be made by placing a plurality of such units in series, each comprising a device for injecting a gaseous phase and a device for removing the residual gaseous phase.

Une fois que les câbles 2 ont été revêtus de l'interphase, le procédé se poursuit en effectuant un tissage tridimensionnel des câbles revêtus pour former une préforme fibreuse de la pièce devant être obtenue (étape S20 sur la figure 1).Once the cables 2 have been coated with the interphase, the method continues by carrying out a three-dimensional weaving of the coated cables to form a fibrous preform of the part to be obtained (step S20 in FIG. 1).

La préforme fibreuse sert à former le renfort fibreux de la pièce devant être obtenue. La préforme fibreuse est obtenue par tissage tridimensionnel entre une pluralité de couches de câbles de chaîne et une pluralité de couches de câbles de trame. La préforme fibreuse peut être faite d'une seule pièce par tissage tridimensionnel. Le tissage tridimensionnel peut être réalisé avec un tissage "interlock", c'est-à-dire un tissage dans lequel chaque couche de câbles de trame lie une pluralité de couches de câbles de chaîne, avec tous les câbles d’une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l’armure. Les rôles des chaînes et trames peuvent être inversés, et cette inversion doit être considérée également comme étant couverte par les revendications. L'utilisation d'autres types de tissage 3D ne sont bien entendu pas du cadre de l'invention. Diverses techniques de tissage convenables sont décrites dans le document WO 2006/136755.The fibrous preform is used to form the fibrous reinforcement of the part to be obtained. The fibrous preform is obtained by three-dimensional weaving between a plurality of layers of warp cords and a plurality of layers of weft cords. The fibrous preform can be made in one piece by three-dimensional weaving. Three-dimensional weaving can be achieved with an "interlock" weave, i.e. a weave in which each layer of weft cords binds a plurality of layers of warp cords, with all the cords of a single column of frame having the same movement in the plane of the weave. The roles of the warps and wefts can be reversed, and this reversal should also be considered to be covered by the claims. The use of other types of 3D weaving is of course not within the scope of the invention. Various suitable weaving techniques are described in WO 2006/136755.

D'une manière connue, il peut être préférable de traiter les câbles revêtus avant le tissage avec une composition d’ensimage comprenant un polysiloxane linéaire, pour éviter tout risque d'endommagement de l'interphase durant le tissage. Un exemple d'une telle composition d’ensimage est divulgué dans le document US 2017/073854. Une autre solution pour éviter tout risque d'endommagement de l'interphase consiste à former la préforme en utilisant un métier à tisser ayant des éléments qui viennent en contact avec les câbles qui sont faits en molybdène. Ce type de métier à tisser est divulgué dans le document FR 3045679.In a known manner, it may be preferable to treat the coated cables before weaving with a sizing composition comprising a linear polysiloxane, to avoid any risk of damage to the interphase during weaving. An example of such a sizing composition is disclosed in document US 2017/073854. Another solution to avoid any risk of damaging the interphase consists in forming the preform using a loom having elements which come into contact with the cables which are made of molybdenum. This type of loom is disclosed in document FR 3045679.

Après la formation de la préforme tissée 3D, une phase de consolidation comprenant du carbure de silicium est formée par CVI dans les pores de la préforme fibreuse et sur l'interphase (étape S30 sur la figure 1). La phase de consolidation peut être formée en contact avec l'interphase. La phase de consolidation obtenue par CVI ne contient pas de silicium libre et a un module de Young élevé, supérieur ou égal à 350 GPa. Le module de Young de la phase de consolidation peut par exemple être situé dans la plage allant de 350 GPa à 450 GPa, par exemple dans la plage allant de 350 GPa à 420 GPa. Comme mentionné ci-dessus, cette phase de consolidation confère à la pièce la résistance au fluage souhaitée aux températures élevées. La phase de consolidation comprend du carbure de silicium, éventuellement dopé avec un matériau auto-cicatrisant tel que le bore B ou le carbure de bore B4C.After the formation of the 3D woven preform, a consolidation phase comprising silicon carbide is formed by CVI in the pores of the fiber preform and on the interphase (step S30 in Fig. 1). The consolidation phase can be formed in contact with the interphase. The consolidation phase obtained by CVI does not contain free silicon and has a high Young's modulus, greater than or equal to 350 GPa. The Young's modulus of the consolidation phase can for example be located in the range from 350 GPa to 450 GPa, for example in the range from 350 GPa to 420 GPa. As mentioned above, this consolidation phase gives the part the desired creep resistance at elevated temperatures. The consolidation phase includes silicon carbide, optionally doped with a self-healing material such as boron B or boron carbide B 4 C.

L'épaisseur de la phase de consolidation peut être supérieure ou égale à 500 nm, par exemple située dans la plage allant de 1 micromètre (µm) à 30 µm. L'épaisseur de la phase de consolidation est suffisante pour consolider la préforme fibreuse, c'est-à-dire pour lier ensemble les câbles de l'ébauche suffisamment pour permettre à la préforme d'être manipulée tout en conservant sa forme sans l'assistance d'un outillage de maintien.The thickness of the consolidation phase can be greater than or equal to 500 nm, for example located in the range from 1 micrometer (µm) to 30 µm. The thickness of the consolidation phase is sufficient to consolidate the fibrous preform, i.e. to bind the cords of the blank together sufficiently to allow the preform to be manipulated while retaining its shape without the assistance of a holding tool.

Après la formation de la phase de consolidation et avant le début de la densification supplémentaire optionnelle (étape S40 sur la figure 1), la porosité volumique résiduelle de la préforme fibreuse consolidée peut être inférieure ou égale à 45 %, par exemple peut être située dans la plage allant de 30 % à 35 %. La fraction volumique de la phase de consolidation dans la préforme fibreuse consolidée (ou dans la pièce en CMC) peut être supérieure ou égale à 5 %. Dans un exemple, cette fraction volumique de la phase de consolidation est située dans la plage allant de 10 % à 30 %.After the formation of the consolidation phase and before the start of the optional additional densification (step S40 in FIG. 1), the residual volume porosity of the consolidated fibrous preform can be less than or equal to 45%, for example can be located in the range from 30% to 35%. The volume fraction of the consolidation phase in the consolidated fibrous preform (or in the CMC part) can be greater than or equal to 5%. In one example, this consolidation phase volume fraction is in the range of 10% to 30%.

Après la formation de la phase de consolidation, une étape de densification supplémentaire peut être réalisée pour terminer la densification de la préforme (étape S40). La phase de matrice céramique formée durant l'étape de densification supplémentaire S40 est formée sur la phase de consolidation et peut être en contact avec la phase de consolidation.After the formation of the consolidation phase, an additional densification step can be performed to complete the densification of the preform (step S40). The ceramic matrix phase formed during the additional densification step S40 is formed on the consolidation phase and may be in contact with the consolidation phase.

Dans un mode de réalisation, cette étape de densification supplémentaire correspond à une densification par infiltration par une barbotine (« slurry-cast ») suivie d’une d'infiltration à l'état fondu. Dans ce cas, une poudre de céramique et/ou de carbone peut être introduite dans les pores de la préforme fibreuse consolidée. Pour ce faire, la préfome consolidée peut être imprégnée d'une barbotine contenant la poudre en suspension dans un milieu liquide, par exemple de l'eau. La poudre peut être retenue dans la préforme par filtration, éventuellement avec l'assistance d'une aspiration ou d'une pression. Il est préférable d'utiliser une poudre constituée de particules ayant une taille moyenne (D50) inférieure ou égale à 5 µm, ou même inférieure ou égale à 2 µm. Avant l'infiltration avec la composition fondue, la poudre est présente dans les pores de la préforme fibreuse consolidée. La poudre peut comprendre des particules de carbure de silicium. En remplacement ou en plus des particules de carbure de silicium, des particules d'un autre matériau, par exemple tel que le carbone, le carbure de bore, le borure de silicium, le nitrure de silicium, peuvent être présentes dans les pores de la préforme fibreuse.In one embodiment, this additional densification step corresponds to densification by slurry-cast infiltration followed by melt infiltration. In this case, a ceramic and/or carbon powder can be introduced into the pores of the consolidated fibrous preform. To do this, the consolidated preform can be impregnated with a slip containing the powder in suspension in a liquid medium, for example water. The powder can be retained in the preform by filtration, optionally with the assistance of suction or pressure. It is preferable to use a powder consisting of particles having an average size (D50) less than or equal to 5 μm, or even less than or equal to 2 μm. Prior to infiltration with the molten composition, the powder is present in the pores of the consolidated fibrous preform. The powder can include silicon carbide particles. Instead of or in addition to particles of silicon carbide, particles of another material, for example such as carbon, boron carbide, silicon boride, silicon nitride, may be present in the pores of the fibrous preform.

Ensuite, la préforme fibreuse consolidée comprenant les particules est infiltrée avec une composition fondue comprenant du silicium. Cette composition peut correspondre à du silicium fondu seul ou à un alliage de silicium à l'état fondu qui contient aussi un ou plusieurs autres éléments tels que le titane, le molybdène, le bore, le fer ou le niobium. La proportion en poids de silicium dans la composition fondue peut être supérieure ou égale à 50 %, par exemple supérieure ou égale à 75 %, par exemple supérieure ou égale à 90 %.Next, the consolidated fibrous preform comprising the particles is infiltrated with a molten composition comprising silicon. This composition can correspond to molten silicon alone or to a silicon alloy in the molten state which also contains one or more other elements such as titanium, molybdenum, boron, iron or niobium. The proportion by weight of silicon in the molten composition may be greater than or equal to 50%, for example greater than or equal to 75%, for example greater than or equal to 90%.

L'utilisation d'autres types de techniques pour l'étape de densification supplémentaire S40 ne sortent bien entendu pas du cadre de l'invention. Par exemple, l'étape de densification supplémentaire peut être effectuée d'une manière connue par CVI ou par une technique d'infiltration de polymère et de pyrolyse (« Polymer Infiltration and Pyrolysis » ; « PIP »). Dans un exemple, la technique CVI utilisée pour former la phase de consolidation peut être poursuivie de façon à densifier complètement la préforme fibreuse. Dans ce cas, toute la matrice céramique de la pièce en CMC peut être obtenue par CVI.The use of other types of techniques for the additional densification step S40 obviously does not go beyond the scope of the invention. For example, the additional densification step can be carried out in a manner known by CVI or by a technique of polymer infiltration and pyrolysis ("Polymer Infiltration and Pyrolysis"; "PIP"). In one example, the CVI technique used to form the consolidation phase can be continued to completely densify the fiber preform. In this case, the entire ceramic matrix of the CMC part can be obtained by CVI.

L'expression "situé dans la plage allant de … à …" doit être comprise comme incluant les bornes.The expression "located in the range from … to …" should be understood to include the terminals.

Claims (12)

Procédé de fabrication d'une pièce en CMC, le procédé comprenant au moins :
- le revêtement d'une pluralité de câbles (2) avec une interphase par transport des câbles à travers une chambre de traitement (4) dans laquelle une phase gazeuse (10) est injectée, les câbles étant mis sous tension durant leur transport et l'interphase étant formée par dépôt en phase vapeur à partir de la phase gazeuse injectée ;
- la formation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel utilisant les câbles revêtus de l'interphase ; et
- la formation d'une préforme fibreuse consolidée par traitement de la préforme fibreuse par infiltration chimique en phase vapeur pour former une phase de consolidation sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa.
Method for manufacturing a CMC part, the method comprising at least:
- the coating of a plurality of cables (2) with an interphase by transporting the cables through a treatment chamber (4) into which a gaseous phase (10) is injected, the cables being put under tension during their transport and the the interphase being formed by vapor phase deposition from the injected gas phase;
- the formation of a fibrous preform by three-dimensional weaving using the cables coated with the interphase; And
- forming a consolidated fibrous preform by treating the fibrous preform by chemical vapor infiltration to form a consolidation phase on the interphase, the consolidation phase comprising silicon carbide and having a Young's modulus greater than or equal to at 350 GPa.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa.Process according to Claim 1, in which the consolidation phase has a Young's modulus greater than or equal to 375 GPa. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la porosité volumique résiduelle de la préforme fibreuse consolidée est située dans la plage allant de 25 % à 45 %.A method according to claim 1 or claim 2, wherein the residual volume porosity of the consolidated fibrous preform is in the range from 25% to 45%. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le procédé comprend en outre la densification de la préforme fibreuse consolidée par formation d'une phase de matrice en carbure de silicium sur la phase de consolidation par infiltration avec une composition fondue comprenant du silicium, et dans lequel des particules de carbone et/ou de céramique sont présentes dans la porosité de la préforme consolidée avant l'infiltration.A method according to any of claims 1 to 3, wherein the method further comprises densifying the consolidated fibrous preform by forming a silicon carbide matrix phase over the consolidation phase by infiltration with a molten composition comprising silicon, and in which carbon and/or ceramic particles are present in the pores of the consolidated preform before infiltration. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique ou carbone dopé au bore.A method according to any of claims 1 to 4, wherein the interphase is formed of at least one layer of the following materials: boron nitride, silicon-doped boron nitride, pyrolytic carbon or boron-doped carbon. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les câbles (2) comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique.A method according to any of claims 1 to 5, wherein the cables (2) comprise silicon carbide fibers having an oxygen content which is less than or equal to 1 atomic percent. Pièce en CMC comprenant au moins :
- un renfort fibreux tissé 3D comprenant une pluralité de câbles (2), les câbles ayant une pluralité de fibres qui sont revêtues individuellement d'une interphase ; et
- une phase de consolidation densifiant le renfort fibreux et située sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa, la phase de consolidation ne contenant pas de silicium libre.
CMC part comprising at least:
- a 3D woven fibrous reinforcement comprising a plurality of cords (2), the cords having a plurality of fibers which are individually coated with an interphase; And
- a consolidation phase densifying the fibrous reinforcement and located on the interphase, the consolidation phase comprising silicon carbide and having a Young's modulus greater than or equal to 350 GPa, the consolidation phase not containing free silicon.
Pièce en CMC selon la revendication 7, dans laquelle la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa.CMC part according to Claim 7, in which the consolidation phase has a Young's modulus greater than or equal to 375 GPa. Pièce en CMC selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle la fraction volumique de la phase de consolidation est située dans la plage allant de 5 % à 30 %.CMC part according to claim 7 or 8, wherein the volume fraction of the consolidation phase is in the range from 5% to 30%. Pièce en CMC selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, laquelle pièce comprend en outre une phase de matrice en carbure de silicium située sur la phase de consolidation, ladite phase de matrice en carbure de silicium ayant une porosité volumique résiduelle inférieure ou égale à 8 %.CMC part according to any one of claims 7 to 9, which part further comprises a silicon carbide matrix phase located on the consolidation phase, said silicon carbide matrix phase having a residual volume porosity less than or equal to at 8 %. Pièce en CMC selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans laquelle l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique, et carbone dopé au bore.CMC part according to any one of claims 7 to 10, in which the interphase is formed of at least one layer of the following materials: boron nitride, boron nitride doped with silicon, pyrolytic carbon, and carbon doped with boron . Pièce en CMC selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans laquelle les câbles (2) comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique.CMC part according to any one of Claims 7 to 11, in which the cables (2) comprise fibers of silicon carbide having an oxygen content which is less than or equal to 1% in atomic percentage.
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