WO2020002841A1 - Procede de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux - Google Patents

Procede de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux Download PDF

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Stéphane Roger André GOUJARD
Jean-François POTIN
Franck Lamouroux
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Safran Ceramics
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    • F16D65/125—Discs; Drums for disc brakes characterised by the material used for the disc body

Definitions

  • the present invention relates to the general field of densification processes by chemical gas infiltration (CVI).
  • CVI chemical gas infiltration
  • the invention relates more particularly to a CVI densification process of porous annular substrates.
  • the main object of the present invention is therefore to overcome such drawbacks by proposing a densification process by chemical gas infiltration of porous annular substrates having a central passage, the substrates being arranged in an enclosure delimited by a heated wall and arranged in at minus a first and a second stack of substrates, each stack of substrates defining a internal volume formed by the central passages of the stacked substrates, the first and second stacks of substrates being located respectively at a first and at a second distance from the heated wall, the first distance being less than the second distance, the method comprising at least one step of injecting into the internal volume of each stack of substrates a gaseous phase comprising a gaseous precursor of a matrix material to be deposited within the porosity of the substrates.
  • the quantity of material Q2 of gaseous precursor injected per unit of time into the second cell is greater than the quantity of material Q1 of gaseous precursor injected per unit of time into the first cell.
  • the method according to the invention thus makes it possible to compensate for the differences in densification kinetics which are observed as a function of the position of a stack relative to the heated wall, by increasing the quantity of gaseous precursor material which is injected by unit of time in the stacks furthest from the wall compared to the stacks closest to it.
  • the invention applies in particular to chemical infiltration processes in the gaseous phase known as forced or directed flow, where the gaseous phase injected into a cell passes through the substrates by means of solid shims positioned between the substrates, than so-called semi-forced flow methods, where spacers providing a leakage passage are arranged between the substrates to force only part of the gas phase to pass through the substrates.
  • the rate of doping in gaseous precursor of the gas phase injected into the second stack can be greater than the rate of doping in gaseous precursor of the gas phase injected into the first stack.
  • the doping rate corresponds to the molar proportion of gaseous precursor in the gaseous phase.
  • the gas phase can comprise a carrier gas, for example natural gas. It is known that natural gas can also contain one or more gaseous matrix precursors and can thus also contribute to the deposition, those skilled in the art will be able to take this contribution into account to determine the doping rate of the gas phase.
  • the rate of injection of the gaseous phase into the second cell can be greater than the rate of injection of the gaseous phase into the first cell. Note that the flow and the rate doping between the first and second cells can be changed together while respecting the difference in the amount of gaseous precursor material per unit of time injected between the two cells.
  • the gaseous precursor can comprise propane.
  • pyrocarbon PyC
  • the enclosure can be delimited by a susceptor coupled to an inductor.
  • a relative deviation (Q2-Q1) / Q2 can be at least 10%.
  • a third stack of substrates may be present in the enclosure, the third stack of substrates being located at a third distance from the heated wall greater than the second distance, and the quantity of material Q3 of gaseous precursor injected per unit of time in the third stack may be greater than the amount of material Q2 injected per unit of time in the second stack.
  • several stacks of substrates can be located at the same distance from the heated wall and be supplied by the same gas phase supply system.
  • the enclosure can be cylindrical in shape around an axis.
  • a stack can be centered along this axis and the other stacks can be distributed around this axis in the enclosure.
  • each porous annular substrate can comprise carbon.
  • each porous annular substrate can constitute a fibrous preform of brake disc.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a load of porous annular substrates in an enclosure
  • FIG. 2 is a diagrammatic view in elevation and in section showing a densification installation by chemical vapor infiltration according to the invention in which the charge of FIG. 1 is present
  • FIG. 3 is a sectional view of the installation of FIG. 2 where we can see the arrangement of the batteries for loading porous substrates, and
  • Figure 4 is an enlarged view of Figure 2 at a stack of substrates.
  • FIG. 1 very schematically shows a heated cylindrical enclosure 10, and a load of substrates 20 present in the enclosure 10.
  • FIG. 2 shows a view in elevation and in detailed section of a densification installation comprising a loading of the type from that of Figure 1, to implement a method according to the invention.
  • the substrates 20 are for example carbon fiber preforms or blanks formed from pre-densified preforms, intended for the production of brake discs made of carbon / carbon composite material (C / C), by densification by a pyrolytic carbon matrix .
  • the load comprises a plurality of stacks of substrates 20, each delimiting an internal volume 21 formed by the central passages 20a (FIG. 3) of the substrates 20 aligned vertically.
  • the piles are carried by the same lower support plate 11.
  • Each pile is here formed of several superimposed sections separated by one or more intermediate support plates 12.
  • the lower support plate 11 is provided with openings 11a which are axially aligned with the central passages substrates 20 and with openings 12a of the intermediate plates 12.
  • An injection disc 13 is present at the base of the stacks, under the lower support plate 11, and comprises channels which open on the openings 11a of the lower support plate 11 at one end, and on supply ports 14 present in a lower wall of the enclosure 10 at another end.
  • the power ports 14 are here connected to several gas phase supply systems (represented by arrows), the operating principle of which will be described later. At their apex, the stacks are closed by the same cover 22 closing off the internal volumes 21 hermetically.
  • the plates 13 are supported by columns or candles 12b ( Figures 1 and 3).
  • FIG 4 shows an enlargement of Figure 2 at a substrate stack section 20 between the lower support plate 11 and an intermediate support plate 12.
  • a porous substrate 20 is separated from an adjacent substrate by one or more spacers 23 which define intervals 24.
  • the spacers 23, for example arranged radially with respect to the axis of a stack, are arranged to form passages making the internal volume 21 communicate with the external volume 25 located outside the batteries, in the enclosure 10.
  • the passages formed by the shims 23 may offer a more or less restricted passage section so as to allow the existence of a pressure gradient between the volumes 21 and 25, as described in the patent application FR 2821859, we then speak densification by CVI with forced flow (almost zero passage section) or semi-forced (non-zero passage section).
  • the enclosure 10 comprises a heated wall 10a which here constitutes a susceptor laterally delimiting the enclosure 10. More precisely, the wall 10a here constitutes an armature which is inductively coupled with an inductor 15 present around the enclosure 10.
  • a gas phase (or reactive gas) containing one or more carbon precursor constituents is introduced into the enclosure 10 through the supply ports 14, then is conveyed by the channels of the injection disc 13 to the internal volumes 21 batteries.
  • the internal volume of the batteries 21 is hermetically sealed at an upper end by the cover 22, at least part of the gas phase must pass through the porous substrates 20 to densify them.
  • the gaseous phase Once the gaseous phase has passed through the substrates 20, it reaches the external volume 25 and can finally be evacuated by one (or more) evacuation port formed in an upper wall of the enclosure 10 which may possibly be associated with suction means (not shown).
  • the upper wall of the enclosure 10 may include several evacuation ports, the number of which will for example be adapted to the size of the enclosure 10 and to the name of the batteries therein.
  • the gas phase comprises a carrier gas and one or more gaseous matrix precursors.
  • the carrier gas can itself comprise one or more gaseous matrix precursor (s).
  • methane, propane or a mixture of the two can be used as the gaseous precursor.
  • the carrier gas can be natural gas.
  • the installation may further comprise a zone for preheating the gas phase in a lower part of the enclosure 10 in order to heat the gas phase before it enters the internal volume 21 of the stacks of substrates. 20.
  • the loading of porous substrates 20 is adapted to the cylindrical shape around the axis X of the enclosure 10.
  • the stacks of porous substrates 20 are distributed in the enclosure 10 around the axis X in several groups according to the distance which separates the stacks from the wall 10a, it being understood that the "distance" corresponds to the minimum distance which separates a stack from the wall 10a.
  • the load can be divided into a first group of stacks 31 (first stacks, or stacks radially outermost with respect to the axis X) located at a distance dl from the wall 10a; a second group of stacks 32 (second stacks, or intermediate stacks) located at a distance d2, greater than the distance d1, from the wall 10a; and a cell 33 (third cell, or central cell) centered on the axis X of the enclosure 10.
  • the first group 31 comprises twelve cells and the second group 32 comprises six cells.
  • the cells of the first group of cells 31 are closer to the wall 10a than the cells of the second group of cells 32, which are themselves closer to the wall 10a than the cell 33.
  • the third cell 33 is densified more slowly than the cells of the second group of cells 32, which are themselves densified more slowly than the cells of the first group of cells 31.
  • the quantity of gas precursor material Q3 injected per unit of time into the cell 33 is greater than the quantity of gas precursor material Q2 injected per unit of time into the cells of the second group of cells 32, which is itself greater than the quantity of gaseous precursor material Q1 injected per unit of time into the cells of the first group of cells 31.
  • the relative difference (Q3-Q2J / Q3 or (Q2-Q1) / Q2 can for example be at least 10% .
  • diagrams are represented by arrows in FIG. 2 of the supply systems 41, 42 and 43 for supplying the stacks of substrates 20 in the enclosure in gas phase 10.
  • the supply systems 41 , 42 and 43 are connected to the power ports 14 of the enclosure 10.
  • the first power system 41 is here configured to power all the batteries of the first group of batteries 31
  • the second power system 42 is configured to supply all the batteries in the second group of batteries 32
  • the third supply system 43 is configured to supply the battery 33.
  • the supply systems 41, 42 and 43 are configured with a phase injection rate independent gas phase, and are supplied with independent gas phases, so as to be able to control the flow rate and the doping rate of the gas phase at the level of each cell or group of cells which is located at the same distance wall opening 10a.
  • the densification of fibrous preforms of carbon brake discs was carried out using a gas phase comprising natural gas and propane as a gaseous matrix precursor in a densification installation like that described above.
  • the following tables 1 to 3 show the different parameters which have been modified according to the battery or batteries of the load considered, all other things being equal.
  • examples 1 to 3 made it possible to reduce the time necessary to densify all the substrates of the cells present in the enclosure by at least 10%. It will be noted that the invention also applies to other forms of enclosures and of loads than those described above, in particular the enclosure could be of rectangular shape. The invention can also be applied to methods in which the doping rate or the flow rate is varied over time in a uniform manner in all the stacks, as long as the ratio between the quantities of material per unit of time according to the position of the batteries in relation to the heated enclosure wall is retained. Finally, the invention can be applied to other types of annular porous substrates and gas phases.

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Abstract

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

Description

Procédé de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de densification par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI). L'invention se rapporte plus particulièrement à un procédé de densification par CVI de substrats annulaires poreux.
Pour densifier de tels substrats, on connaît notamment des procédés dans lesquels on dispose des piles de substrats dans l'enceinte chauffée d'une installation de densification, et on introduit une phase gazeuse comprenant un précurseur de matériau de matrice à l'intérieur des piles de substrats de façon à former la matrice dans la porosité des substrats. Le document FR 2834713 décrit un tel procédé et une installation pour sa mise en œuvre.
Lorsque l'on souhaite densifier un nombre important de piles de substrats, on utilise généralement une installation de plus grande taille. Toutefois, on observe que la densification n'est pas réalisée de manière uniforme selon la position des substrats à l'intérieur de l'enceinte, notamment à cause de la présence de gradients de température. En effet, les piles situées dans les zones les plus froides de l'enceinte sont densifiées plus lentement que celles situées dans les zones les plus chaudes. Ainsi, la durée d'un cycle de densification est directement dépendante du temps nécessaire pour densifier les piles situées dans les zones les plus froides de l'enceinte.
Or, l'homme du métier recherche en permanence un procédé capable de réduire la durée totale d'un cycle de densification par infiltration chimique en phase gazeuse. Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de densification par infiltration chimique en phase gazeuse de substrats annulaires poreux présentant un passage central, les substrats étant disposés dans une enceinte délimitée par une paroi chauffée et agencés en au moins une première et une deuxième pile de substrats, chaque pile de substrats définissant un volume interne formé par les passages centraux des substrats empilés, les première et deuxième piles de substrats étant situées respectivement à une première et à une deuxième distances de la paroi chauffée, la première distance étant inférieure à la deuxième distance, le procédé comprenant au moins une étape d'injection dans le volume interne de chaque pile de substrats d'une phase gazeuse comprenant un précurseur gazeux d'un matériau de matrice à déposer au sein de la porosité des substrats. Selon l'invention, la quantité de matière Q2 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la deuxième pile est supérieure à la quantité de matière Q1 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la première pile.
Le procédé selon l'invention permet ainsi de compenser les différences de cinétique de densification que l'on observe en fonction de la position d'une pile par rapport à la paroi chauffée, en augmentant la quantité de matière de précurseur gazeux qui est injectée par unité de temps dans les piles les plus éloignées de la paroi par rapport aux piles les plus proches de celle-ci. L'invention s'applique notamment à des procédés d'infiltration chimique en phase gazeuse dits à flux forcé ou dirigé, où la phase gazeuse injectée dans une pile traverse les substrats à l'aide de cales pleines positionnées entre les substrats, qu'à des procédés dits à flux semi-forcé, où des cales ménageant un passage de fuite sont disposées entre les substrats pour forcer une partie seulement de la phase gazeuse à traverser les substrats.
Dans un exemple de réalisation, le taux de dopage en précurseur gazeux de la phase gazeuse injectée dans la deuxième pile peut être supérieur au taux de dopage en précurseur gazeux de la phase gazeuse injectée dans la première pile. Le taux de dopage correspond à la proportion molaire de précurseur gazeux dans la phase gazeuse. La phase gazeuse peut comprendre un gaz vecteur, par exemple du gaz naturel. Il est connu que le gaz naturel peut également contenir un ou plusieurs précurseurs gazeux de matrice et peut ainsi contribuer également au dépôt, l'homme du métier saura tenir compte de cette contribution pour déterminer le taux de dopage de la phase gazeuse.
Dans un exemple de réalisation, le débit d'injection de la phase gazeuse dans la deuxième pile peut être supérieur au débit d'injection de la phase gazeuse dans la première pile. On notera que le débit et le taux de dopage entre les première et deuxième piles peuvent être modifiés ensemble tout en respectant la différence de quantité de matière en précurseur gazeux par unité de temps injectée entre les deux piles.
Dans un exemple de réalisation, le précurseur gazeux peut comprendre du propane. Ainsi, on formera du pyrocarbone (PyC) dans la porosité des substrats annulaires poreux.
Dans un exemple de réalisation, l'enceinte peut être délimitée par un suscepteur couplé à un inducteur.
Dans un exemple de réalisation, un écart relatif (Q2-Q1)/Q2 peut être d'au moins 10%.
Dans un exemple de réalisation, une troisième pile de substrats peut être présente dans l'enceinte, la troisième pile de substrats étant située à une troisième distance de la paroi chauffée supérieure à la deuxième distance, et la quantité de matière Q3 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la troisième pile peut être supérieure à la quantité de matière Q2 injectée par unité de temps dans la deuxième pile.
Dans un exemple de réalisation, plusieurs piles de substrats peuvent être situées à une même distance de la paroi chauffée et être alimentées par un même système d'alimentation en phase gazeuse.
Dans un exemple de réalisation, l'enceinte peut être de forme cylindrique autour d'un axe. Dans ce cas, une pile peut être centrée selon cet axe et les autres piles peuvent être réparties autour de cet axe dans l'enceinte.
Dans un exemple de réalisation, chaque substrat annulaire poreux peut comprendre du carbone.
Dans un exemple de réalisation, chaque substrat annulaire poreux peut constituer une préforme fibreuse de disque de frein.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un chargement de substrats annulaires poreux dans une enceinte, - la figure 2 est une vue schématique en élévation et en coupe montrant une installation de densification par infiltration chimique en phase vapeur selon l'invention dans laquelle est présent le chargement de la figure 1,
- la figure 3 est une vue en coupe de l'installation de la figure 2 où l'on peut voir la disposition des piles du chargement de substrats poreux, et
- la figure 4 est une vue agrandie de la figure 2 au niveau d'une pile de substrats.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 montre de façon très schématique une enceinte cylindrique chauffée 10, et un chargement de substrats 20 présent dans l'enceinte 10. La figure 2 montre une vue en élévation et en coupe détaillée d'une installation de densification comprenant un chargement du type de celui de la figure 1, pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention.
Les substrats 20 sont par exemple des préformes en fibres de carbone ou des ébauches formées de préformes pré-densifiées, destinées à la réalisation de disques de frein en matériau composite carbone/carbone (C/C), par densification par une matrice en carbone pyrolytique.
Le chargement comprend une pluralité de piles de substrats 20, chacune délimitant un volume interne 21 formé par les passages centraux 20a (figure 3) des substrats 20 alignés verticalement. Les piles sont portées par un même plateau support inférieur 11. Chaque pile est ici formée de plusieurs sections superposées séparées par un ou plusieurs plateaux supports intermédiaires 12. Le plateau support inférieur 11 est muni d'ouvertures lia qui sont alignées axialement avec les passages centraux des substrats 20 et avec des ouvertures 12a des plateaux intermédiaires 12. Un disque d'injection 13 est présent à la base des piles, sous le plateau support inférieur 11, et comprend des canaux qui s'ouvrent sur les ouvertures lia du plateau support inférieur 11 à une extrémité, et sur des ports d'alimentation 14 présents dans une paroi inférieure de l'enceinte 10 à une autre extrémité. Les ports d'alimentation 14 sont ici reliés à plusieurs systèmes d'alimentation en phase gazeuse (représentés par des flèches), dont le principe de fonctionnement sera décrit plus loin. A leur sommet, les piles sont fermées par un même couvercle 22 obturant les volumes internes 21 de façon hermétique. Les plateaux 13 sont supportés par l'intermédiaire de colonnes ou chandelles 12b (figures 1 et 3).
La figure 4 montre un agrandissement de la figure 2 au niveau d'une section de pile de substrats 20 entre le plateau support inférieur 11 et un plateau support intermédiaire 12. Sur cette figure, on peut voir qu'un substrat poreux 20 est séparé d'un substrat adjacent par une ou plusieurs cales d'espacement 23 qui définissent des intervalles 24. Les cales 23, par exemple disposées radialement par rapport à l'axe d'une pile, sont aménagées pour former des passages faisant communiquer le volume interne 21 avec le volume externe 25 situé à l'extérieur des piles, dans l'enceinte 10.
Les passages ménagés par les cales 23 pourront offrir une section de passage plus ou moins restreinte de manière à permettre l'existence d'un gradient de pression entre les volumes 21 et 25, comme décrit dans la demande de brevet FR 2821859, on parle alors de densification par CVI à flux forcé (section de passage quasi nulle) ou semi-forcé (section de passage non nulle).
L'enceinte 10 comprend une paroi chauffée 10a qui constitue ici un suscepteur délimitant latéralement l'enceinte 10. Plus précisément, la paroi 10a constitue ici un induit qui est couplé inductivement avec un inducteur 15 présent autour de l'enceinte 10.
Une phase gazeuse (ou gaz réactif) contenant un ou plusieurs constituants précurseur de carbone est introduite dans l'enceinte 10 au travers des ports d'alimentation 14, puis est acheminée par les canaux du disque d'injection 13 jusqu'aux volumes internes 21 des piles. Comme le volume interne des piles 21 est fermé de façon hermétique à une extrémité supérieure par le couvercle 22, au moins une partie de la phase gazeuse doit traverser les substrats poreux 20 pour les densifier. Une fois que la phase gazeuse a traversé les substrats 20, elle atteint le volume externe 25 et peut être enfin évacuée par un (ou plusieurs) port d'évacuation ménagé dans une paroi supérieure de l'enceinte 10 qui peut être associé éventuellement à des moyens d'aspiration (non représentés). On notera que la paroi supérieure de l'enceinte 10 peut comprendre plusieurs ports d'évacuation dont le nombre sera par exemple adapté à la taille de l'enceinte 10 et au nom de piles à l'intérieur de celle-ci. Typiquement, la phase gazeuse comprend un gaz vecteur et un ou plusieurs précurseurs gazeux de matrice. On notera que le gaz vecteur peut lui-même comprendre un ou plusieurs précurseur(s) gazeux de matrice. Pour former une matrice carbonée on peut utiliser en tant que précurseur gazeux du méthane, du propane ou un mélange des deux. Le gaz vecteur peut être du gaz naturel. Dans une variante non illustrée, l'installation peut en outre comprendre une zone de préchauffage de la phase gazeuse dans une partie inférieure de l'enceinte 10 pour chauffer la phase gazeuse avant qu'elle ne pénètre dans le volume interne 21 des piles de substrats 20.
Dans l'exemple illustré, le chargement de substrats poreux 20 est adapté à la forme cylindrique autour de l'axe X de l'enceinte 10. En particulier, comme cela est visible sur la figure 3, les piles de substrats poreux 20 sont réparties dans l'enceinte 10 autour de l'axe X en plusieurs groupes selon la distance qui sépare les piles de la paroi 10a, étant entendu la « distance » correspond à la distance minimale qui sépare une pile de la paroi 10a. Le chargement peut être divisé en un premier groupe de piles 31 (premières piles, ou piles radialement le plus à l'extérieur par rapport à l'axe X) situées à une distance dl de la paroi 10a ; un deuxième groupe de piles 32 (deuxièmes piles, ou piles intermédiaires) situées à une distance d2, supérieure à la distance dl, de la paroi 10a ; et une pile 33 (troisième pile, ou pile centrale) centrée sur l'axe X de l'enceinte 10. Dans l'exemple illustré, le premier groupe 31 comprend douze piles et le deuxième groupe 32 comprend six piles. En d'autres termes, les piles du premier groupe de piles 31 sont plus proches de la paroi 10a que les piles du deuxième groupe de piles 32, qui sont elles-mêmes plus proches de la paroi 10a que la pile 33.
Comme expliqué en introduction, la présence d'un gradient de température au sein de l'enceinte 10, inhérent au fait que la paroi 10a est chauffée, modifie la cinétique de densification en fonction de la position d'une pile dans l'enceinte 10. Avec un procédé selon l'art antérieur, la troisième pile 33 est densifiée plus lentement que les piles du deuxième groupe de piles 32, qui sont elles-mêmes densifiées plus lentement que les piles du premier groupe de piles 31. Selon l'invention, au cours d'un cycle de densification dans lequel on injecte dans le volume interne de chaque pile de substrats une phase gazeuse comprenant un précurseur gazeux d'un matériau de matrice à déposer au sein de la porosité des substrats, la quantité de matière Q3 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans la pile 33 est supérieure à la quantité de matière Q2 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans les piles du deuxième groupe de piles 32, qui est elle- même supérieure à la quantité de matière Q1 de précurseur gazeux injectée par unité de temps dans les piles du premier groupe de piles 31. L'écart relatif (Q3-Q2J/Q3 ou (Q2-Q1)/Q2 peut être par exemple d'au moins 10%.
En pratique, il est possible d'augmenter la quantité de matière en précurseur gazeux injectée par unité de temps dans une pile soit en augmentant le taux de dopage de la phase gazeuse injectée, c'est-à-dire en augmentant la proportion molaire de précurseur gazeux dans la phase gazeuse, soit en augmentant le débit de phase gazeuse injectée dans la pile, soit en augmentant le taux de dopage et le débit simultanément.
Dans le mode de réalisation illustré, on a représenté schématiquement par des flèches sur la figure 2 des systèmes d'alimentation 41, 42 et 43 pour alimenter en phase gazeuse les piles de substrats 20 dans l'enceinte 10. Les systèmes d'alimentation 41, 42 et 43 sont reliés aux ports d'alimentation 14 de l'enceinte 10. Le premier système d'alimentation 41 est ici configuré pour alimenter l'ensemble des piles du premier groupe de piles 31, le deuxième système d'alimentation 42 est configuré pour alimenter l'ensemble des piles du deuxième groupe de piles 32 et le troisième système d'alimentation 43 est configuré pour alimenter la pile 33. Les systèmes d'alimentation 41, 42 et 43 sont paramétrés avec un débit d'injection de phase gazeuse indépendant, et sont alimentés avec des phases gazeuses indépendantes, de manière à pouvoir contrôler le débit et le taux de dopage de la phase gazeuse au niveau de chaque pile ou groupe de pile qui est situé à une même distance de la paroi 10a. Dans une variante non illustrée, il peut y avoir autant de systèmes d'alimentation que de piles de substrats 20. Exemples
On a réalisé la densification de préformes fibreuses de disques de frein en carbone à l'aide d'une phase gazeuse comprenant du gaz naturel et du propane en tant que précurseur gazeux de matrice dans une installation de densification comme celle décrite précédemment. Les tableaux 1 à 3 suivants montrent les différents paramètres qui ont été modifiés selon la ou les piles du chargement considérée(s), toutes choses étant égales par ailleurs.
Figure imgf000010_0001
Tableau 1
Figure imgf000010_0002
Tableau 2
Figure imgf000010_0003
Tableau 3
Les conditions opératoires des exemples 1 à 3 ont permis une réduction de la durée nécessaire pour densifier tous les substrats des piles présentes dans l'enceinte d'au moins 10%. On notera que l'invention s'applique également à d'autres formes d'enceintes et de chargements que ceux décrits ci-avant, en particulier l'enceinte pourrait être de forme parallélépipédique. L'invention peut également s'appliquer à des procédés dans lesquels on fait varier le taux de dopage ou le débit au cours du temps de manière uniforme dans toutes les piles, tant que le rapport entre les quantités de matière par unité de temps selon la position des piles par rapport à la paroi chauffée de l'enceinte est conservé. Enfin, l'invention peut s'appliquer à d'autres types de substrats poreux annulaires et de phases gazeuses.

Claims

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

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2733254A1 (fr) * 1995-04-18 1996-10-25 Europ Propulsion Procede d'infiltration chimique en phase vapeur pour la densification de substrats poreux disposes en piles annulaires
US5900297A (en) * 1994-11-16 1999-05-04 The B. F. Goodrich Company Pressure gradient CVI/CVD apparatus, process and product
FR2821859A1 (fr) 2001-03-06 2002-09-13 Snecma Moteurs Procede pour la densification par infiltration chimique en phase vapeur de substrats poreux ayant un passage central
FR2834713A1 (fr) 2002-01-15 2003-07-18 Snecma Moteurs Procede et installation pour la densification de substrats par infiltration chimique en phase vapeur
US20070227783A1 (en) * 1998-10-23 2007-10-04 Rudolph James W Method for measurement of weight during a CVI/CVD process

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5900297A (en) * 1994-11-16 1999-05-04 The B. F. Goodrich Company Pressure gradient CVI/CVD apparatus, process and product
FR2733254A1 (fr) * 1995-04-18 1996-10-25 Europ Propulsion Procede d'infiltration chimique en phase vapeur pour la densification de substrats poreux disposes en piles annulaires
US20070227783A1 (en) * 1998-10-23 2007-10-04 Rudolph James W Method for measurement of weight during a CVI/CVD process
FR2821859A1 (fr) 2001-03-06 2002-09-13 Snecma Moteurs Procede pour la densification par infiltration chimique en phase vapeur de substrats poreux ayant un passage central
FR2834713A1 (fr) 2002-01-15 2003-07-18 Snecma Moteurs Procede et installation pour la densification de substrats par infiltration chimique en phase vapeur

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