FR3141168A1 - Process for manufacturing a part made of ceramic matrix composite material - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant :- l’infiltration (S60) d’une structure fibreuse pré-densifiée et comprenant une composition pulvérulente par une composition d’infiltration à l’état fondu comprenant du silicium afin de former une matrice céramique dans une porosité résiduelle de la structure pré-densifiée, la structure fibreuse pré-densifiée comprenant une matrice de pré-densification comprenant du carbure de silicium et la composition pulvérulente comprenant des particules de carbure de silicium,le procédé comprenant en outre, avant l’infiltration, une élimination (S50) des impuretés métalliques, comprenant de l’aluminium et/ou du fer, des particules de carbure de silicium par dissolution dans un solvant. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.Method of manufacturing a part made of ceramic matrix composite material The present invention relates to a method of manufacturing a part of ceramic matrix composite material, comprising: - the infiltration (S60) of a pre-densified fibrous structure and comprising a powder composition with a melt infiltration composition comprising silicon to form a ceramic matrix in a residual porosity of the pre-densified structure, the pre-densified fibrous structure comprising a pre-densification matrix comprising silicon carbide and the powder composition comprising silicon carbide particles,the process further comprising, before infiltration, elimination (S50) of metallic impurities, comprising aluminum and/or iron, carbide particles of silicon by dissolution in a solvent. Figure for abstract: Fig. 1.
Description
L’invention concerne la fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice en céramique (« Ceramic Matrix Composite » ; « CMC ») durant laquelle la matrice céramique est formée par infiltration d’une composition à base de silicium fondu (« Melt-Infiltration » ; « MI »). L’invention propose une élimination des espèces métalliques aluminium et fer de la poudre de carbure de silicium qui ont un effet catalytique sur l’attaque du carbure de silicium de pré-densification par le silicium fondu. La pièce en matériau composite ainsi obtenue peut trouver une application en tant que pièce de partie chaude de turbomachine, notamment de turbomachine aéronautique, telle qu’une pièce de turbine.The invention relates to the manufacture of a part made of ceramic matrix composite material (“Ceramic Matrix Composite”; “CMC”) during which the ceramic matrix is formed by infiltration of a composition based on molten silicon (“Melt- Infiltration”; “MI”). The invention proposes an elimination of the aluminum and iron metal species from the silicon carbide powder which have a catalytic effect on the attack of the pre-densification silicon carbide by the molten silicon. The composite material part thus obtained can find application as a hot part of a turbomachine, in particular an aeronautical turbomachine, such as a turbine part.
Les matériaux composites à matrice céramique supportent des températures allant de 600°C à 1400°C. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les CMC nécessitent moins de refroidissement. Ce refroidissement étant traditionnellement issu d’un prélèvement dans le compresseur qui impacte le rendement de la turbomachine, les matériaux CMC permettent donc d’améliorer le rendement moteur ce qui réduit la consommation de carburant. Par ailleurs, leur utilisation contribue à optimiser les performances des turbomachines notamment par la baisse de la masse globale de la turbomachine qui contribue encore à une diminution de la consommation de carburant et donc à la réduction significative des émissions polluantes.Ceramic matrix composite materials withstand temperatures ranging from 600°C to 1400°C. Due to their better resistance to high temperatures, CMCs require less cooling. This cooling traditionally comes from a sample in the compressor which impacts the efficiency of the turbomachine, CMC materials therefore make it possible to improve engine efficiency which reduces fuel consumption. Furthermore, their use contributes to optimizing the performance of turbomachines, in particular by reducing the overall mass of the turbomachine, which further contributes to a reduction in fuel consumption and therefore to a significant reduction in polluting emissions.
Les pièces en CMC peuvent être densifiées par infiltration à l’état fondu. Dans cette technique, une composition de silicium fondu peut être introduite dans la porosité d’une structure fibreuse pré-densifiée par un dépôt de carbure de silicium et chargée par des particules de carbure de silicium. Cette méthode permet d’obtenir une matrice Si-SiC totalement dense de haut module et un composite à haute limite de linéarité. Les composites obtenus présentent de bonnes propriétés mécaniques mais les inventeurs ont observé une certaine variabilité dans l’allongement à rupture qui diminue la tolérance aux dommages du matériau. Il est souhaitable de proposer une solution pour répondre à cet inconvénient.CMC parts can be densified by melt infiltration. In this technique, a molten silicon composition can be introduced into the porosity of a fibrous structure pre-densified by a silicon carbide deposit and loaded with silicon carbide particles. This method makes it possible to obtain a completely dense Si-SiC matrix of high modulus and a composite with a high linearity limit. The composites obtained have good mechanical properties but the inventors observed a certain variability in the elongation at break which reduces the damage tolerance of the material. It is desirable to propose a solution to address this drawback.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant :
- l’infiltration d’une structure fibreuse pré-densifiée et comprenant une composition pulvérulente par une composition d’infiltration à l’état fondu comprenant du silicium afin de former une matrice céramique dans une porosité résiduelle de la structure pré-densifiée, la structure fibreuse pré-densifiée comprenant une matrice de pré-densification comprenant du carbure de silicium et la composition pulvérulente comprenant des particules de carbure de silicium,
le procédé comprenant en outre, avant l’infiltration, une élimination des impuretés métalliques, comprenant de l’aluminium et/ou du fer, des particules de carbure de silicium par dissolution dans un solvant.The invention relates to a method of manufacturing a part made of ceramic matrix composite material, comprising:
- the infiltration of a pre-densified fibrous structure and comprising a powder composition with a melt infiltration composition comprising silicon in order to form a ceramic matrix in a residual porosity of the pre-densified structure, the structure pre-densified fibrous material comprising a pre-densification matrix comprising silicon carbide and the powder composition comprising silicon carbide particles,
the method further comprising, before infiltration, removal of metallic impurities, including aluminum and/or iron, silicon carbide particles by dissolving in a solvent.
Les inventeurs ont constaté que la variabilité du comportement à rupture était liée à une attaque non maîtrisée du carbure de silicium de la matrice de pré-densification par le silicium fondu dans la solution de l’art antérieur. Ce phénomène peut aller jusqu’à la dégradation du renfort fibreux et de l’interphase résultant en une diminution du caractère structural du composite. Les inventeurs ont détecté les impuretés métalliques, présentes dans les poudres SiC standards, en zone de fibres attaquées ce qui démontre le rôle de ces impuretés dans le mécanisme de dégradation. La présente invention propose de dépolluer la poudre de SiC avant l’infiltration par dissolution des impuretés métalliques dans un solvant. Les techniques permettant d’éliminer ces espèces métalliques sont connues en soi, l’invention repose sur le fait d’avoir constaté que ces espèces métalliques, présentes sur la poudre SiC, jouaient un rôle dans le mécanisme de dégradation. On obtient, après cette élimination, des matériaux composites avec un comportement à rupture bien plus performant.The inventors noted that the variability of the fracture behavior was linked to an uncontrolled attack on the silicon carbide of the pre-densification matrix by the molten silicon in the solution of the prior art. This phenomenon can go as far as the degradation of the fibrous reinforcement and the interphase resulting in a reduction in the structural character of the composite. The inventors detected metallic impurities, present in standard SiC powders, in the area of attacked fibers, which demonstrates the role of these impurities in the degradation mechanism. The present invention proposes to depollute the SiC powder before infiltration by dissolving the metal impurities in a solvent. The techniques making it possible to eliminate these metallic species are known per se, the invention is based on the fact of having observed that these metallic species, present on the SiC powder, played a role in the degradation mechanism. After this elimination, we obtain composite materials with much more efficient breaking behavior.
Dans un exemple de réalisation, l’élimination des impuretés métalliques est réalisée par mise en contact du solvant avec les particules de carbure de silicium présentes dans une porosité de la structure fibreuse pré-densifiée.In an exemplary embodiment, the elimination of metallic impurities is carried out by bringing the solvent into contact with the silicon carbide particles present in a porosity of the pre-densified fibrous structure.
Une telle caractéristique correspond au cas où les particules de carbure de silicium ont été introduites dans la porosité de la structure fibreuse avant l’élimination. Ce cas permet avantageusement d’éviter tout risque que l’élimination ne perturbe l’introduction de la poudre, en rendant plus difficile sa mise en suspension du fait d’une modification de la chimie de surface des particules, et également d’éviter tout risque de re-pollution durant les étapes postérieures à l’élimination.Such a characteristic corresponds to the case where the silicon carbide particles have been introduced into the porosity of the fibrous structure before elimination. This case advantageously makes it possible to avoid any risk that the elimination disrupts the introduction of the powder, by making it more difficult to suspend due to a modification of the surface chemistry of the particles, and also to avoid any risk of re-pollution during the stages following elimination.
Dans un exemple de réalisation, l’élimination des impuretés métalliques est réalisée par extraction solide/liquide, par exemple à partir d’un solvant à l’état liquide obtenu par condensation d’une phase vapeur.In an exemplary embodiment, the elimination of metallic impurities is carried out by solid/liquid extraction, for example from a solvent in the liquid state obtained by condensation of a vapor phase.
En particulier, les impuretés métalliques peuvent être éliminées par une technique d’extraction Soxhlet.In particular, metallic impurities can be removed by a Soxhlet extraction technique.
Cette technique assure une extraction progressive des impuretés métalliques et une régénération en continu du solvant, et constitue une technique « douce », contrairement à des méthodes d’immersion totale de la structure avec agitation et permet donc de limiter le risque de départ partiel des poudres par phénomène de remise en solution.This technique ensures progressive extraction of metallic impurities and continuous regeneration of the solvent, and constitutes a “gentle” technique, unlike methods of total immersion of the structure with agitation and therefore makes it possible to limit the risk of partial departure of the powders. by re-solution phenomenon.
Dans un exemple de réalisation, le solvant comprend un acide.In an exemplary embodiment, the solvent comprises an acid.
En particulier, le solvant peut comprendre un acide fort.In particular, the solvent may comprise a strong acid.
Dans le cas d’utilisation d’acide fort, ce procédé permet en plus de réaliser une désoxydation partielle ou totale de la couche de silice superficielle des grains de la poudre de carbure de silicium qui favorise la montée capillaire. Le bénéfice de produire la désoxydation, à ce stade est, d’une part, de réaliser une désoxydation complète à cœur des structures quand celle-ci sont épaisses (typiquement épaisseur supérieure à environ 6 mm) et, d’autre part, de fortement réduire le palier à haute température (environ 1400°C), couteux d’un point de vue énergétique et présentant potentiellement le risque de contribuer à un abattement du potentiel des fibres.In the case of using strong acid, this process also makes it possible to achieve partial or total deoxidation of the superficial silica layer of the grains of the silicon carbide powder which promotes capillary rise. The benefit of producing deoxidation at this stage is, on the one hand, to achieve complete deoxidation at the core of the structures when they are thick (typically thickness greater than approximately 6 mm) and, on the other hand, to strongly reduce the high temperature level (around 1400°C), which is expensive from an energy point of view and potentially presents the risk of contributing to a reduction in the potential of the fibers.
Dans un exemple de réalisation, le solvant est choisi parmi l’acide chlorhydrique, l’eau régale, l’acide fluorhydrique, l’acide sulfurique ou leurs mélanges.In an exemplary embodiment, the solvent is chosen from hydrochloric acid, aqua regia, hydrofluoric acid, sulfuric acid or mixtures thereof.
Dans un exemple de réalisation, le solvant comprend un fluide à l’état supercritique.In an exemplary embodiment, the solvent comprises a fluid in the supercritical state.
En particulier, le solvant peut comprendre du dioxyde de carbone ou de l’eau à l’état supercritique. Le solvant à l’état supercritique peut être un mélange supercritique de dioxyde de carbone et de dioxygène, ou d’eau et de peroxyde d’hydrogène.In particular, the solvent may comprise carbon dioxide or water in the supercritical state. The solvent in the supercritical state can be a supercritical mixture of carbon dioxide and oxygen, or water and hydrogen peroxide.
Dans un exemple de réalisation, la composition d’infiltration comprend du bore.In an exemplary embodiment, the infiltration composition comprises boron.
Une telle caractéristique permet avantageusement de protéger davantage encore le carbure de silicium présent dans la matrice de pré-densification.Such a characteristic advantageously makes it possible to further protect the silicon carbide present in the pre-densification matrix.
Dans un exemple de réalisation, la structure fibreuse pré-densifiée comprend en outre une interphase de nitrure de bore entre un renfort fibreux et la matrice de pré-densification.In an exemplary embodiment, the pre-densified fibrous structure further comprises a boron nitride interphase between a fibrous reinforcement and the pre-densification matrix.
La présence d’une interphase de nitrure de bore permet avantageusement de dévier les fissures qui peuvent apparaître dans la matrice de la pièce composite en fonctionnement de sorte à préserver le renfort fibreux, et d’apporter une résistance à l’oxydation.The presence of a boron nitride interphase advantageously makes it possible to deflect cracks which may appear in the matrix of the composite part in operation so as to preserve the fibrous reinforcement, and to provide resistance to oxidation.
Dans un exemple de réalisation, la structure fibreuse comprend un renfort fibreux formé par tissage tridimensionnel ou à partir d’une pluralité de strates fibreuses bidimensionnelles.In an exemplary embodiment, the fibrous structure comprises a fibrous reinforcement formed by three-dimensional weaving or from a plurality of two-dimensional fibrous layers.
Dans un exemple de réalisation, la pièce est une pièce de turbomachine.In an exemplary embodiment, the part is a turbomachine part.
La pièce peut être une pièce de turbine, par exemple une pièce de turbine de moteur d’aéronef. La pièce peut par exemple être une aube de turbomachine, un secteur d’anneau de turbine ou un distributeur.The part may be a turbine part, for example an aircraft engine turbine part. The part can for example be a turbomachine blade, a turbine ring sector or a distributor.
Un exemple de procédé de fabrication d’une pièce en matériau CMC selon l’invention va maintenant être décrit en lien avec l’ordinogramme de la
Une première étape S10 du procédé peut consister à former la structure fibreuse par mise en œuvre d’une ou plusieurs opérations textiles comme un tissage tridimensionnel. La structure fibreuse peut être formée de fils céramiques, par exemple de fils en carbure de silicium. La structure fibreuse peut constituer le renfort fibreux 10 de la pièce en matériau composite à obtenir. Des exemples de fils en carbure de silicium utilisables peuvent être des fils commercialisés sous la référence « Nicalon », « Hi-Nicalon », « Hi-Nicalon-S » ou Tyranno SA3 de la société UBE Industries. Les fils céramiques de la structure fibreuse peuvent présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Les fils « Hi-Nicalon-S », par exemple, présentent une telle caractéristique. Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », il faut comprendre un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaine lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Une inversion des rôles entre chaine et trame est possible dans le présent texte et doit être considérée comme couverte aussi par les revendications. La structure fibreuse peut par exemple présenter une armure interlock. Par « armure ou tissu interlock », il faut comprendre une armure de tissage 3D dont chaque couche de fils de chaîne lie plusieurs couches de fils de trame avec tous les fils de la même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l’armure. Il est aussi possible de partir de textures fibreuses telles que des tissus bidimensionnels ou des nappes unidirectionnelles, et d’obtenir la structure fibreuse par drapage de telles textures fibreuses sur une forme. Ces textures peuvent éventuellement être liées entre elles par exemple par couture ou implantation de fils pour former la structure fibreuse.A first step S10 of the process may consist of forming the fibrous structure by implementing one or more textile operations such as three-dimensional weaving. The fibrous structure can be formed from ceramic wires, for example silicon carbide wires. The fibrous structure can constitute the fibrous reinforcement 10 of the composite material part to be obtained. Examples of usable silicon carbide wires may be wires marketed under the reference “Nicalon”, “Hi-Nicalon”, “Hi-Nicalon-S” or Tyranno SA3 from the company UBE Industries. The ceramic yarns of the fibrous structure may have an oxygen content less than or equal to 1% in atomic percentage. “Hi-Nicalon-S” threads, for example, have such a characteristic. By “three-dimensional weaving” or “3D weaving”, we must understand a mode of weaving by which at least some of the warp threads bind weft threads on several weft layers. A reversal of roles between warp and weft is possible in the present text and must be considered as also covered by the claims. The fibrous structure can for example have an interlock weave. By “weave or interlock fabric”, we must understand a 3D weave weave in which each layer of warp threads links several layers of weft threads with all the threads of the same warp column having the same movement in the plane of the armor. It is also possible to start from fibrous textures such as two-dimensional fabrics or unidirectional webs, and to obtain the fibrous structure by draping such fibrous textures on a form. These textures can possibly be linked together, for example by sewing or implantation of threads to form the fibrous structure.
Dans une étape S20, on peut former une interphase 20 de défragilisation par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration ») sur les fils de la structure fibreuse. La structure fibreuse peut être positionnée dans un outillage de conformation permettant de la mettre à la forme de la pièce à obtenir durant le dépôt de l’interphase. L’épaisseur de l’interphase peut par exemple être comprise entre 10 nm et 1000 nm, et par exemple entre 200 nm et 500 nm. Après formation de l’interphase, la structure fibreuse reste poreuse, la porosité accessible initiale n’étant comblée que pour une partie minoritaire par l’interphase. L’interphase peut être monocouche ou multicouches. L’interphase peut comporter au moins une couche de carbone pyrolytique (PyC), de nitrure de bore (BN), de nitrure de bore dopé au silicium (BN(Si), avec du silicium en une proportion massique comprise entre 5% et 40%, le complément étant du nitrure de bore) ou de carbone dopé au bore (BC, avec du bore en une proportion atomique comprise entre 5% et 20%, le complément étant du carbone). L’interphase a ici une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l’interphase après s’être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture de fibres par de telles fissures. En variante, on notera qu’il est possible de former l’interphase sur les fils avant la formation de la structure fibreuse, c’est-à-dire avant mise en œuvre de l’étape S10.In a step S20, an interphase 20 of defragmentation can be formed by chemical vapor infiltration (“Chemical Vapor Infiltration”) on the threads of the fibrous structure. The fibrous structure can be positioned in conformation tooling allowing it to be shaped into the shape of the part to be obtained during interphase deposition. The thickness of the interphase can for example be between 10 nm and 1000 nm, and for example between 200 nm and 500 nm. After formation of the interphase, the fibrous structure remains porous, the initial accessible porosity being filled for only a minority part by the interphase. The interphase can be single-layer or multi-layer. The interphase may comprise at least one layer of pyrolytic carbon (PyC), boron nitride (BN), boron nitride doped with silicon (BN(Si), with silicon in a mass proportion of between 5% and 40 %, the complement being boron nitride) or carbon doped with boron (BC, with boron in an atomic proportion of between 5% and 20%, the complement being carbon). The interphase here has a function of weakening the composite material which promotes the deflection of possible cracks reaching the interphase after having propagated in the matrix, preventing or delaying the rupture of fibers by such cracks. Alternatively, it will be noted that it is possible to form the interphase on the wires before the formation of the fibrous structure, that is to say before implementation of step S10.
Il est ensuite réalisé une étape S30 de formation d’un dépôt de carbure de silicium. Cette étape S30 peut être séparée en deux phases. Lors de la première phase, la structure fibreuse est toujours dans l’outillage de conformation et une couche de consolidation de carbure de silicium est déposée sur l’interphase et le renfort fibreux. La couche de consolidation peut être déposée au contact de l’interphase. Cette couche a une épaisseur suffisante pour lier suffisamment les fibres de sorte que la structure conserve sa forme sans assistance de l’outillage de maintien. Cette couche apporte une protection à l’interphase vis-à-vis de l’oxydation et peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur de manière connue en soi, par exemple à partir d’une phase gazeuse comprenant du méthyltrichlorosilane (MTS) et de l’hydrogène (H2). L’épaisseur de la couche de consolidation peut être supérieure ou égale à 0,1 µm, par exemple comprise entre 0,1 µm et 5 µm. Lors de la deuxième phase, la structure fibreuse consolidée et mise à la forme de la pièce à obtenir peut être retirée de l’outillage et la matrice de pré-densification peut être formée en déposant une couche de pré-densification en carbure de silicium. Cette couche de pré-densification peut être déposée au contact de la couche de consolidation. L’épaisseur de la couche de pré-densification peut être supérieure à l’épaisseur de la couche de consolidation. La couche de pré-densification apporte une large contribution de performance mécanique au matériau composite et apporte une protection vis-à-vis du silicium fondu mis en œuvre lors de l’infiltration ultérieure. L’épaisseur de la couche de pré-densification peut être supérieure ou égale à 1 µm, par exemple comprise entre 1 µm et 20 µm. Comme pour la couche de consolidation, la couche de pré-densification peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur de manière connue en soi. D’une manière générale, la matrice de pré-densification peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur. Selon une variante non illustrée, la couche de consolidation pourrait être omise et l’on pourrait directement former la couche de pré-densification sur l’interphase.A step S30 of forming a silicon carbide deposit is then carried out. This step S30 can be separated into two phases. During the first phase, the fibrous structure is still in the conformation tooling and a consolidation layer of silicon carbide is deposited on the interphase and the fibrous reinforcement. The consolidation layer can be deposited in contact with the interphase. This layer has sufficient thickness to sufficiently bind the fibers so that the structure maintains its shape without assistance from holding tooling. This layer provides protection to the interphase against oxidation and can be formed by chemical vapor infiltration in a manner known per se, for example from a gas phase comprising methyltrichlorosilane (MTS) and hydrogen (H 2 ). The thickness of the consolidation layer may be greater than or equal to 0.1 µm, for example between 0.1 µm and 5 µm. During the second phase, the fibrous structure consolidated and shaped into the part to be obtained can be removed from the tooling and the pre-densification matrix can be formed by depositing a pre-densification layer of silicon carbide. This pre-densification layer can be deposited in contact with the consolidation layer. The thickness of the pre-densification layer may be greater than the thickness of the consolidation layer. The pre-densification layer provides a large contribution of mechanical performance to the composite material and provides protection against the molten silicon used during subsequent infiltration. The thickness of the pre-densification layer may be greater than or equal to 1 µm, for example between 1 µm and 20 µm. As for the consolidation layer, the pre-densification layer can be formed by chemical vapor infiltration in a manner known per se. Generally speaking, the pre-densification matrix can be formed by chemical vapor infiltration. According to a variant not illustrated, the consolidation layer could be omitted and the pre-densification layer could be directly formed on the interphase.
Le taux volumique de porosité résiduelle de la structure fibreuse pré-densifiée obtenue suite à l’étape S30 peut être supérieur ou égal à 20%, par exemple compris entre 20% et 40%, par exemple entre 30% et 35%.The residual porosity volume rate of the pre-densified fibrous structure obtained following step S30 may be greater than or equal to 20%, for example between 20% and 40%, for example between 30% and 35%.
Le procédé se poursuit par introduction d’une composition pulvérulente dans une porosité résiduelle de la structure pré-densifiée (étape S40). Cette composition pulvérulente peut être introduite dans la structure fibreuse par voie barbotine (« slurry-cast ») de manière connue en soi. La composition pulvérulente peut comprendre une poudre de carbure de silicium, avec éventuellement une poudre de carbone et/ou une poudre de carbure de bore. Le taux volumique de porosité résiduelle de la structure fibreuse pré-densifiée et chargée par la composition pulvérulente peut être inférieur ou égal à 25%, par exemple compris entre 15% et 25%.The process continues by introducing a powder composition into a residual porosity of the pre-densified structure (step S40). This powdery composition can be introduced into the fibrous structure by slurry-cast method in a manner known per se. The powder composition may comprise a silicon carbide powder, optionally with a carbon powder and/or a boron carbide powder. The residual porosity volume rate of the pre-densified fibrous structure loaded with the powder composition may be less than or equal to 25%, for example between 15% and 25%.
On procède alors à l’élimination des impuretés métalliques comprenant de l’aluminium et/ou du fer des particules de carbure de silicium (étape S50). L’exemple illustré à la
L’extracteur 1 Soxhlet comprend un ballon 3 contenant le solvant 5 destiné à récupérer les impuretés métalliques. Le col 6 du ballon 3 coopère avec une portion de positionnement 8 d’un corps 7 de l’extracteur. Le corps 7 définit un volume V de traitement fermé dans sa partie inférieure (située du côté du ballon 3) dans lequel est présente une cartouche 9 en papier filtre. La structure 10 fibreuse pré-densifiée comprenant la composition pulvérulente est placée dans cette cartouche 9. Dans le cas présent, l’élimination est réalisée après introduction de la composition pulvérulente dans la structure fibreuse mais on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque l’on place une poudre libre de particules de carbure de silicium dans la cartouche 9 de sorte à procéder à l’élimination des impuretés métalliques avant introduction de ces particules dans la structure fibreuse. Le corps 7 présente dans sa partie supérieure (située du côté opposé au ballon 3) une deuxième portion de positionnement 12 reliée à un réfrigérant 17 par l’intermédiaire d’une pièce 15 de liaison. L’extracteur 1 comprend en outre un tube 11 relié au corps 7 qui comprend une entrée 11a en communication avec le ballon 3 et une sortie 11b en communication avec le réfrigérant 17. L’extracteur 1 comprend en outre un tube siphon 13, distinct du tube 11 et également relié au corps 7, qui présente une entrée 13a en communication avec le volume V et une sortie 13b en communication avec le ballon 3.The Soxhlet extractor 1 comprises a flask 3 containing the solvent 5 intended to recover metallic impurities. The neck 6 of the balloon 3 cooperates with a positioning portion 8 of a body 7 of the extractor. The body 7 defines a treatment volume V closed in its lower part (located on the side of the balloon 3) in which a cartridge 9 made of filter paper is present. The pre-densified fibrous structure 10 comprising the powder composition is placed in this cartridge 9. In the present case, the elimination is carried out after introduction of the powder composition into the fibrous structure but we do not depart from the scope of the invention when a free powder of silicon carbide particles is placed in the cartridge 9 so as to eliminate metallic impurities before introducing these particles into the fibrous structure. The body 7 has in its upper part (located on the side opposite the balloon 3) a second positioning portion 12 connected to a refrigerant 17 via a connecting part 15. The extractor 1 further comprises a tube 11 connected to the body 7 which comprises an inlet 11a in communication with the tank 3 and an outlet 11b in communication with the refrigerant 17. The extractor 1 further comprises a siphon tube 13, distinct from the tube 11 and also connected to the body 7, which has an inlet 13a in communication with the volume V and an outlet 13b in communication with the balloon 3.
En fonctionnement, le solvant 5 est porté à ébullition et les vapeurs SV de solvant remontent depuis le ballon vers le réfrigérant 17 en traversant le tube 11. Une circulation d’un fluide de refroidissement (flèches F), comme de l’eau, est réalisée au niveau du réfrigérant 17 ce qui permet de condenser les vapeurs SV en solvant liquide SL qui retombe dans le volume V, au niveau de la cartouche 9 contenant les particules de carbure de silicium. Les impuretés métalliques présentes sur ces particules de carbure de silicium sont alors dissoutes par le solvant liquide SL. Le solvant SL s'accumule dans le corps 7 jusqu'à atteindre le sommet du tube siphon 13, ce qui provoque alors le retour du solvant SLI contenant les impuretés métalliques dans le ballon 3. Le solvant 5 contenu dans le ballon 3 s'enrichit donc progressivement en impuretés métalliques.In operation, the solvent 5 is brought to the boil and the solvent vapors SV rise from the flask towards the refrigerant 17 passing through the tube 11. A circulation of a cooling fluid (arrows F), such as water, is carried out at the level of the refrigerant 17 which makes it possible to condense the vapors SV into liquid solvent SL which falls into the volume V, at the level of the cartridge 9 containing the silicon carbide particles. The metal impurities present on these silicon carbide particles are then dissolved by the liquid solvent SL. The solvent SL accumulates in the body 7 until it reaches the top of the siphon tube 13, which then causes the solvent SLI containing the metal impurities to return to the flask 3. The solvent 5 contained in the flask 3 becomes enriched therefore gradually into metallic impurities.
On ne sort pas du cadre de l’invention lorsque les impuretés métalliques sont éliminées différemment par exemple par immersion dans un bain d’acide, suivi d’un rinçage et d’un séchage, ou par dissolution dans un fluide supercritique comme évoqué plus haut. Dans le cas où l’élimination est réalisée alors que la composition pulvérulente est présente dans la structure fibreuse pré-densifiée, la personne du métier veillera bien entendu à choisir le solvant et le temps de mise en contact de sorte à éviter une dégradation du renfort fibreux.We do not depart from the scope of the invention when the metallic impurities are eliminated differently, for example by immersion in an acid bath, followed by rinsing and drying, or by dissolution in a supercritical fluid as mentioned above. . In the case where the elimination is carried out while the powder composition is present in the pre-densified fibrous structure, the person skilled in the art will of course take care to choose the solvent and the contact time so as to avoid degradation of the reinforcement. fibrous.
Si cela est souhaité, on peut procéder à une désoxydation de la poudre de carbure de silicium avant l’infiltration par application d’une température supérieure ou égale à 1350°C pendant une durée d’au moins 30 minutes sous vide ou une pression inférieure ou égale à 100 mbar d’un gaz neutre.If desired, the silicon carbide powder can be deoxidized before infiltration by applying a temperature greater than or equal to 1350°C for a period of at least 30 minutes under vacuum or a lower pressure. or equal to 100 mbar of a neutral gas.
Une fois la composition pulvérulente nettoyée des impuretés métalliques, on réalise l’étape S60 durant laquelle on infiltre la porosité résiduelle avec une composition d’infiltration à l’état fondu comprenant au moins du silicium de manière à former une matrice céramique dans la porosité de la structure fibreuse. La formation de cette matrice céramique peut permettre de finaliser la densification de la pièce. Cette étape d’infiltration correspond à une étape d’infiltration à l’état fondu. La composition d’infiltration peut être constituée de silicium pur fondu ou en variante être sous la forme d’un alliage fondu de silicium et d’un ou plusieurs autres constituants. La composition d’infiltration peut comprendre majoritairement en masse du silicium, c’est-à-dire présenter une teneur massique en silicium supérieure ou égale à 50%. La composition d’infiltration peut par exemple présenter une teneur massique en silicium supérieure ou égale à 75%. Le(s) constituant(s) présent(s) au sein de l’alliage de silicium peuvent être choisi(s) parmi B, Al, Mo, Ti, Ge et leurs mélanges. Lorsque la composition pulvérulente comprend des particules de carbone, une réaction chimique peut se produire entre la composition d’infiltration et ces particules de carbone lors de l’infiltration aboutissant à la formation de carbure de silicium.Once the powder composition has been cleaned of metallic impurities, step S60 is carried out during which the residual porosity is infiltrated with a melt infiltration composition comprising at least silicon so as to form a ceramic matrix in the porosity of the fibrous structure. The formation of this ceramic matrix can make it possible to finalize the densification of the part. This infiltration step corresponds to a melt infiltration step. The infiltration composition may consist of pure molten silicon or alternatively be in the form of a molten alloy of silicon and one or more other constituents. The infiltration composition may comprise a majority of silicon by mass, that is to say have a silicon mass content greater than or equal to 50%. The infiltration composition may for example have a silicon mass content greater than or equal to 75%. The constituent(s) present within the silicon alloy can be chosen from B, Al, Mo, Ti, Ge and their mixtures. When the powder composition comprises carbon particles, a chemical reaction can occur between the infiltration composition and these carbon particles during infiltration resulting in the formation of silicon carbide.
Après l’étape S60, on obtient une pièce en matériau CMC. Une telle pièce en matériau CMC peut être une pièce statique ou rotative de turbomachine. Des exemples de pièces de turbomachine ont été mentionnés plus haut. Une telle pièce peut en outre être revêtue d’un revêtement de barrière environnementale ou thermique avant son utilisation.After step S60, we obtain a part made of CMC material. Such a part made of CMC material can be a static or rotating part of a turbomachine. Examples of turbomachine parts have been mentioned above. Such a part may additionally be coated with an environmental or thermal barrier coating before use.
L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.The expression “between… and…” must be understood as including the limits.
Claims (11)
- l’infiltration (S60) d’une structure fibreuse pré-densifiée et comprenant une composition pulvérulente par une composition d’infiltration à l’état fondu comprenant du silicium afin de former une matrice céramique dans une porosité résiduelle de la structure pré-densifiée, la structure fibreuse pré-densifiée comprenant une matrice de pré-densification comprenant du carbure de silicium et la composition pulvérulente comprenant des particules de carbure de silicium,
le procédé comprenant en outre, avant l’infiltration, une élimination (S50) des impuretés métalliques, comprenant de l’aluminium et/ou du fer, des particules de carbure de silicium par dissolution dans un solvant (SL).Process for manufacturing a part made of ceramic matrix composite material, comprising:
- the infiltration (S60) of a pre-densified fibrous structure and comprising a powder composition with a melt infiltration composition comprising silicon in order to form a ceramic matrix in a residual porosity of the pre-densified structure , the pre-densified fibrous structure comprising a pre-densification matrix comprising silicon carbide and the powder composition comprising silicon carbide particles,
the method further comprising, before infiltration, removal (S50) of metal impurities, comprising aluminum and/or iron, silicon carbide particles by dissolving in a solvent (SL).
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|---|---|---|---|
| FR2210903A FR3141168A1 (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Process for manufacturing a part made of ceramic matrix composite material |
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2022
- 2022-10-21 FR FR2210903A patent/FR3141168A1/en active Pending
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2023
- 2023-10-12 WO PCT/FR2023/051596 patent/WO2024084157A1/en unknown
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