WO2020030875A1 - Conformateur a structure en reseau alveolaire pour la densification d'une preforme fibreuse par voie gazeuse - Google Patents

Conformateur a structure en reseau alveolaire pour la densification d'une preforme fibreuse par voie gazeuse Download PDF

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WO2020030875A1
WO2020030875A1 PCT/FR2019/051908 FR2019051908W WO2020030875A1 WO 2020030875 A1 WO2020030875 A1 WO 2020030875A1 FR 2019051908 W FR2019051908 W FR 2019051908W WO 2020030875 A1 WO2020030875 A1 WO 2020030875A1
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WO
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tool
wall
gas
injection
points
Prior art date
Application number
PCT/FR2019/051908
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English (en)
Inventor
Gildas GARNIER
Benjamin LACOMBE
Jérémy P. BLACHIER
Original Assignee
Safran Ceramics
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Publication date
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C16/045—Coating cavities or hollow spaces, e.g. interior of tubes; Infiltration of porous substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45563—Gas nozzles
    • C23C16/45568—Porous nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber

Definitions

  • the present invention relates to the general field of manufacturing a ceramic matrix composite part (CMC), and in particular of manufacturing by chemical vapor infiltration (CVI for “Chemical Vapor Infiltration” according to English terminology).
  • CMC ceramic matrix composite part
  • CVI chemical vapor infiltration
  • a fiber preform 10 ′ is arranged inside a housing formed inside a tool 20 ′, called a shaping device, which is generally made of graphite, in order to maintaining said fiber preform 10 'in the desired shape so that the final part has the desired shape.
  • a gas 30 ′ comprising a precursor of the material of the ceramic matrix is then injected into the tool 20 ′, and said tool 20 ′ is heated, generally at temperatures which can reach 1100 ° C.
  • holes 2 are made in said tool 20 'by machining.
  • grooves are formed in the shaping machine.
  • the present invention therefore aims to simplify the manufacture of composite parts with a ceramic matrix by chemical vapor infiltration.
  • the present invention aims to improve the homogeneity of the matrix of the part produced by chemical gas infiltration.
  • the invention provides a tool for the densification of a fiber preform by gas, said tool comprising at least one wall comprising a housing intended to receive the fiber preform, characterized in that said wall has a structure in cellular network defining a plurality of gas injection channels.
  • alveolar network structure is meant here a structure formed by a plurality of alveoli which are connected together, the alveoli may have a regular shape, or else an irregular shape. Furthermore, the fact that the cells have a regular or irregular shape can evolve along the wall. By the fact that the cells are connected together, it is understood that the cavities formed by the cells open into each other and thus communicate with each other.
  • Such a cellular network structure makes it possible to obtain a porous tool, so that the gas can easily circulate inside said tool in order to more easily reach the fiber preform, and thus improve the homogeneity of the deposition of the matrix within of said fibrous preform.
  • such a trellis structure makes it possible to dispense with complex machining operations to form the holes and the grooves in the tooling.
  • the tooling can also include the following characteristics, taken alone or in combination according to the technical possibilities:
  • the wall includes a porosity greater than 15%;
  • the wall comprises a first injection surface defining the housing and comprising a plurality of first gas injection orifices having a first size and which are distributed in a first density over said first injection surface, said wall comprising also a second injection surface located on the outside of the wall which comprises a plurality of second gas injection orifices having a second size and which are distributed according to a second density on said second injection surface, the first size being less than the second size and the first density being greater than the second density;
  • the honeycomb structure is formed by a plurality of points distributed over a plurality of planes parallel to each other, each plane being formed by a regular mesh of points, each point being located in the center of a first pattern formed by the dots closest to an upper adjacent plane and to the center of a second pattern formed by the points closest to a lower adjacent plane, each point being connected by a rod to the points closest to the upper adjacent plane and to the points closer to the lower adjacent plane;
  • the wall is made of ceramic
  • the wall comprises silicon nitride, alumina, and / or zirconium dioxide;
  • the wall comprises a second injection surface located on the outside of the wall which is covered by a gas-tight shell, at least one injection channel being formed in the waterproof shell for injecting the gas into the wall;
  • the tool is formed by two removable half-walls which each define a portion of the housing;
  • the invention provides an assembly for the densification of a fiber preform by gas comprising at least one tool according to any one of the preceding characteristics, an oven in which each tool is located, and a source gas configured to inject gas into the oven.
  • the gas source is connected to said at least one injection channel for the shell of each tool.
  • the invention provides a method of manufacturing a tool according to any one of the preceding characteristics, in which the tool is produced by additive manufacturing.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a tool according to the state of the art
  • FIG. 2 schematically shows a front view of a semi-structure in a honeycomb network of a tool for the densification of a fiber preform
  • FIG. 3a shows a detailed view of a possible variant of a first injection surface of a honeycomb network structure
  • FIG. 3b shows a detailed view of another possible variant of the first injection surface of a honeycomb structure
  • FIG. 4 shows a possible variant in which the tool comprises a gas-tight shell
  • FIG. 5 shows a variant in which the honeycomb network structure is formed by irregularly shaped cells
  • FIGS. 6a-6c show variants of honeycomb structures formed by regular cells
  • FIGS. 7a-7c show variants of regular cell shapes for a honeycomb structure.
  • a tool 1, also called a shaper, for the densification of a fiber preform by gas means comprises a wall 2 which includes an internal housing 3 in which the fiber preform is installed in order to be densified.
  • the housing 3 makes it possible to manufacture a plate, however the housing 3 may include a different shape depending on the shape of the part to be manufactured.
  • the housing 3 has a shape of p (Pi).
  • the wall 2 has an alveolar network structure ("lattice" according to the Anglo-Saxon terminology) which defines a plurality of gas injection channels.
  • the honeycomb structure is formed by a plurality of cells which are connected to each other, that is to say that the cavities formed by the cells communicate with each other, thus allowing good circulation of the gas inside the cell structure .
  • the wall 2 has a honeycomb structure allows said wall 2 to have a porosity greater than 15%, thus improving the circulation of gas through the wall 2.
  • the porosity of the wall 2 is greater than 25%, in order to further improve the circulation of gas in the wall 2.
  • the porosity is between 40% and 60%, in order to ensure a good compromise between the good circulation of the gas in wall 2 and the resistance of said wall 2.
  • the honeycomb structure may be formed by a plurality of regular cells which form an elementary pattern which is repeated along said cell structure.
  • Figures 6a, 6b and 6c show possible examples of honeycomb structures formed by regular cells which form an elementary pattern repeated along said structures.
  • Figures 7a, 7b and 7c show possible examples of regular cells which each form an elementary pattern which can be repeated to form the honeycomb structure.
  • the honeycomb structure can be formed by several groups of regular cells, the regular cells of each group having different shapes, so as to form said cell structure from several elementary patterns.
  • the alveolar structure can also be formed by irregular alveoli which have different shapes, as for example illustrated in FIG. 5. Unlike regular alveoli, irregular alveoli do not form an elementary pattern which is repeated in order to form the structure alveolar.
  • the alveolar structure can also be formed by both regular and irregular alveoli.
  • Such an alveolar network structure is manufactured by additive manufacturing.
  • said honeycomb network structure is formed by a plurality of points distributed over a plurality of planes parallel to each other, each plane being formed by a regular mesh of points, each point being connected by a rod to points located on an upper adjacent plane and to points located on a lower adjacent plane.
  • the gas injection channels are formed by the spaces between the rods.
  • the mesh of the points on the planes can be carried out according to different possible patterns.
  • the points can for example be distributed on the planes so as to form quadrilaterals, and in particular squares, or triangles, and in particular equilateral triangles, or even for example regular hexagons.
  • Other shapes for the mesh pattern are also possible, such as unresolved patterns.
  • the square shape of the mesh of points ensures a good compromise between the mechanical strength of the tool, the ease of circulation of the gas inside the wall 2, and the exchange surface between the tool and the gas.
  • Such a trellis structure formed by rods connecting points, offers good porosity while ensuring good mechanical strength.
  • a lattice structure is easier to design.
  • the points are located at the center of the pattern formed by the points closest to the upper adjacent plane and at the center of the pattern formed by the points closest to the lower adjacent plane.
  • the points arranged on a plane are thus offset with respect to the points of the upper adjacent plane and of the lower adjacent plane, and the points of the upper adjacent plane are aligned with the points of the lower adjacent plane.
  • This variation in offset between the points of the adjacent planes can in particular be achieved by locally reducing the offset between the points, in order to support areas remote from the preform. The local reduction of the offset between the points can go as far as the alignment of the points of the adjacent planes.
  • the wall 2 comprises a first injection surface 21 defining the housing 3, and a second injection surface 22 located on the exterior of said wall 2 which defines the exterior of said wall.
  • the first injection surface 21 includes a plurality of first injection ports 21a
  • the second injection surface 22 comprises a plurality of second injection ports 22a.
  • the gas when the gas is injected into the wall 2, the gas enters the wall through the second injection holes 22a and leaves the wall 2 to enter the housing 3 through the first injection holes 21a.
  • the first injection orifices 21a have a first size and are distributed over the first injection surface 21 according to a first density.
  • the second injection orifices 22a have a second size and are distributed over the second injection surface 22 according to a second density.
  • the first size is less than the second size and the first density is greater than the second density.
  • the density of the injection orifices corresponds to the number of orifices per unit of area. This characteristic makes it possible to ensure a compromise between the good circulation of the gas inside the tool 1 and the limitation of the appearance of faults on the surface of the final part.
  • the size of the first injection orifices 21a formed on the first injection surface 21 in order to limit the risk that the fibers of the fibrous preform penetrate into said first injection orifices 21a and thus form bumps on the surface of the final part.
  • this characteristic makes it possible to limit the exchange surface between the wall and the gas, the gas being able to degrade the tool.
  • the first injection orifices 21a distributed over the first injection surface 21 may include a diameter less than the representative elementary volume (VER) of the fiber preform in order to ensure a good surface condition of the part after densification.
  • the first injection orifices 21a may, however, locally have a diameter greater than the representative elementary volume (VER) of the fibrous preform, in particular in the areas of the workpiece for which the surface condition is not a criterion. Very important. By diameter is meant here the largest dimension of the first injection orifices 21a.
  • the wall 2 of the tool 1 is made of ceramic in order to resist the circulation of gas, and the temperatures to which the wall 2 is subjected during the deposition of the matrix within the fibrous preform.
  • the wall 2 can for example comprise silicon nitride, alumina, and / or zirconium dioxide.
  • the wall 2 can in particular consist of silicon nitride, alumina, or zirconium dioxide. These materials offer the advantage of being able to be used for the additive manufacturing of the wall 2.
  • the wall 2 can be manufactured by additive manufacturing, also called three-dimensional manufacturing, or even 3D printing.
  • the wall 2 can for example be produced by injection (CIM for “Ceramic Injection Molding” according to English terminology), extrusion, three-dimensional printing CLIP (for “Continuous Liquid Interface Production” according to English terminology), or three-dimensional binder jet printing (or “binder jetting” according to English terminology).
  • CIM Cosmetic Injection Molding
  • CLIP for “Continuous Liquid Interface Production” according to English terminology
  • binder jet printing or “binder jetting” according to English terminology.
  • a ceramic powder is mixed with a plastic binder, also called "feedstock” according to English terminology.
  • the wall 2 can also be manufactured by an additive manufacturing process by photo-polymerization, for example a DLP process (for “Digital Light Processing”) or LCM process (for “Lithography-based Ceramic Manufacturing”).
  • a ceramic powder is mixed with a photosensitive resin.
  • the mixture is shaped in order to form the wall 2 by polymerizing the resin with ultraviolet radiation.
  • the polymer resin is then removed, by example by heating, in order to have a wall 2 comprising only ceramic.
  • the wall 2 can then be sintered.
  • FIGS. 2a and 2b are illustrations of possible variants of the first injection surface 21, and in particular of the way in which the first injection orifices 21a are formed.
  • the honeycomb structure is formed by a first group of regular cells and by a second group of regular cells.
  • the cells of the first group are formed by rods which connect points distributed in a regular grid on parallel superimposed planes.
  • the cells of the second group are formed by truncated spheres distributed in a grid, said spheres being truncated so as to form the housing 3 in the wall 2.
  • the cells of the second group form the first injection surface 21 of the wall 2. More precisely, the first injection surface 21 is formed by a plurality of circles C formed by the truncated spheres.
  • the circles C are identical circles which are juxtaposed one beside the other in the same plane. In this variant, the circles C are distributed along a grid, and the circles C are in point contact with these four adjacent circles C.
  • the first injection orifices 21a are formed by the space formed between four circles C.
  • the cells of the second group may, however, have a different shape.
  • the cells of the second group can in particular be formed by a mesh of other solids which can form circles C when said solids are truncated by being intercepted by a plane, such as for example a cone or a cylinder.
  • the honeycomb structure is also formed by a first group of regular cells, which is similar to the first group of the variant of Figure 2a, and a second group of regular cells.
  • the cells of the second group are formed by truncated ellipsoids distributed in a grid.
  • the first injection surface 21 of the wall 2 is formed by a plurality of identical ellipses E which are juxtaposed one beside the other in the same plane, the ellipses E being formed by the truncated ellipsoids.
  • the ellipses E are in point contact by their main vertices (the vertices having the minimum radius of curvature).
  • the first injection orifices 21a are formed by the space formed between the lines of ellipses E which are formed by the ellipses E in contact.
  • the circle C or ellipse E shapes are obtained by choosing the level in the honeycomb structure of the wall 2 at which the housing 3 is formed. Other shapes are possible, depending on how the honeycomb structure of the wall 2 is truncated to make the housing 3.
  • the first injection surface 21 is not limited to a surface formed by a mesh of a circle C or of ellipses E, other shapes that can be chosen in order to ensure the targeted surface condition for the part to be manufactured.
  • the wall 2 of the tool 1 is covered by a sealed shell 4 which is gas tight.
  • a sealed shell 4 which is gas tight.
  • at least one injection channel 41 is formed in the shell 4.
  • the shell 4 can for example be made of graphite.
  • the shell 4 can also be made of the same material as the wall 2.
  • the tool 1 according to the variant of FIG. 3 is installed in the furnace, and the gas source is connected to each injection channel 41 formed in the shell 4 in order to inject the gas directly into the tool 1. If a plurality of tools 1 is disposed in the oven, the gas source is connected to each injection channel 41 of the shell 4 of the tools 1.
  • Such a variant makes it possible to reduce the quantity of gas to be injected, because only the internal volume of the tool 1 must be filled with gas, and no longer the internal volume of the oven which is greater than the internal volume of the tool 1.
  • the wall 2 of the tool 1 can be formed by two removable half-walls 20 which each comprise a portion of the housing 3 and which are assembled together to form the wall 2.
  • the half-walls 20 may comprise fixing means, such as for example fixing flanges comprising a hole intended to receive a bolting, in order to allow the half-walls 20 to be fixed together.
  • the fixing means can be manufactured with the entire half-wall 20 by additive manufacturing.
  • the half-walls 20 may each be covered by a half-shell.

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Abstract

L'invention concerne un outillage (1) pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse, ledit outillage (1) comprenant au moins une paroi (2) qui comprend un logement (3) destiné à recevoir la préforme fibreuse, caractérisé en ce que ladite paroi (2) présente une structure en réseau alvéolaire définissant une pluralité de canaux d'injection de gaz.

Description

Titre de l'invention
Conformateur à structure en réseau alvéolaire pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièce composite à matrice céramique (CMC), et particulièrement de la fabrication par infiltration chimique en phase vapeur (CVI pour « Chemical Vapor Infiltration » selon la terminologie anglo- saxonne).
Il est connu de fabriquer une pièce composite à matrice céramique (CMC) par infiltration chimique en phase vapeur (CVI), notamment pour une pièce d'aéronef.
Pour ce faire, comme cela est illustré sur la figure 1, une préforme fibreuse 10' est disposée à l'intérieur d'un logement formé à l'intérieur d'un outillage 20', appelé conformateur, qui est généralement en graphite, afin de maintenir ladite préforme fibreuse 10' dans la forme désirée pour que la pièce finale possède la forme souhaitée.
Un gaz 30' comprenant un précurseur du matériau de la matrice céramique est ensuite injecté dans l'outillage 20', et ledit outillage 20' est chauffé, généralement à des températures pouvant atteindre les 1100°C.
Afin de faire pénétrer le gaz 30' à l'intérieur de l'outillage 20' de sorte que ledit gaz 30' puisse atteindre la préforme fibreuse 10', des perçages 2 sont réalisés dans ledit outillage 20' par usinage.
De plus, afin d'améliorer la circulation du gaz à l'intérieur du conformateur dans le but d'améliorer l'homogénéité de la matrice dans la pièce finale, des rainures sont formées dans le conformateur par usinage.
Toutefois, ces opérations d'usinage pour réaliser les perçages et les rainures dans le conformateur sont des opérations complexes et longues à réaliser.
De plus, il est également souhaité d'améliorer l'homogénéité de la matrice des pièces CMC. Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but de simplifier la fabrication de pièces composite à matrice céramique par infiltration chimique en phase vapeur.
De plus, la présente invention a pour but d'améliorer l'homogénéité de la matrice de la pièce fabriquée par infiltration chimique en phase gazeuse.
Selon un premier aspect, l'invention propose un outillage pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse, ledit outillage comprenant au moins une paroi comprenant un logement destiné à recevoir la préforme fibreuse, caractérisé en ce que ladite paroi présente une structure en réseau alvéolaire définissant une pluralité de canaux d'injection de gaz.
Par structure en réseau alvéolaire on désigne ici une structure formée par une pluralité d'alvéoles qui sont reliées entre elles, les alvéoles pouvant avoir une forme régulière, ou bien une forme irrégulière. Par ailleurs, le fait que les alvéoles possèdent une forme régulière ou irrégulière peut évoluer le long de la paroi. Par le fait que les alvéoles sont reliées entre elles, on comprend que les cavités formées par les alvéoles débouchent les unes dans les autres et ainsi communiquent entre elles.
Une telle structure en réseau alvéolaire permet d'obtenir un outillage poreux, de sorte que le gaz peut facilement circuler à l'intérieur dudit outillage afin de plus facilement atteindre la préforme fibreuse, et ainsi améliorer l'homogénéité du dépôt de la matrice au sein de ladite préforme fibreuse.
De plus, une telle structure en treillis permet de se dispenser des complexes opérations d'usinage pour former les perçages et les rainures dans l'outillage.
L'outillage peut également comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison selon les possibilités techniques :
- la paroi comprend une porosité supérieure à 15% ;
- la paroi comprend une première surface d'injection définissant le logement et comprenant une pluralité de premiers orifices d'injection du gaz ayant une première taille et qui sont répartis selon une première densité sur ladite première surface d'injection, ladite paroi comprenant également une deuxième surface d'injection située sur l'extérieur de la paroi qui comprend une pluralité de deuxièmes orifices d'injection du gaz ayant une deuxième taille et qui sont répartis selon une deuxième densité sur ladite deuxième surface d'injection, la première taille étant inférieure à la deuxième taille et la première densité étant supérieure à la deuxième densité ;
- la structure en réseau alvéolaire est formée par une pluralité de points répartis sur une pluralité de plans parallèles entre eux, chaque plan étant formé par un maillage régulier de points, chaque point étant situé au centre d'un premier motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent supérieur et au centre d'un deuxième motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent inférieur, chaque point étant relié par une tige aux points les plus proches du plan adjacent supérieur et aux points les plus proches du plan adjacent inférieur ;
- le premier motif et le deuxième motif sont des carrés ;
- la paroi est en céramique ;
- la paroi comprend du nitrure de silicium, de l'alumine, et/ou du dioxyde de zirconium ;
- la paroi comprend une deuxième surface d'injection située sur l'extérieur de la paroi qui est recouverte par une coque étanche à un gaz, au moins un canal d'injection étant formé dans la coque étanche pour l'injection du gaz dans la paroi ;
- l'outillage est formé par deux demi-parois amovibles qui définissent chacune une portion du logement ;
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un ensemble pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse comprenant au moins un outillage selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, un four dans lequel est situé chaque l'outillage, et une source de gaz configurée pour injecter le gaz à l'intérieur du four.
Selon une caractéristique possible, la source de gaz est connectée audit au moins un canal d'injection de la coque de chaque outillage.
Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'un outillage selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, dans lequel l'outillage est fabriqué par fabrication additive. 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 représente une vue schématique d'un outillage selon l'état de la technique ;
- la figure 2 représente schématiquement une vue de face d'une demi-structure en réseau alvéolaire d'un outillage pour la densification d'une préforme fibreuse ;
- la figure 3a représente une vue détaillée d'une variante possible d'une première surface d'injection d'une structure en réseau alvéolaire ;
- la figure 3b représente une vue détaillée d'une autre variante possible de la première surface d'injection d'une structure en réseau alvéolaire ;
- la figure 4 représente une variante possible dans lequel l'outillage comprend une coque étanche au gaz ;
- la figure 5 représente une variante dans laquelle la structure en réseau alvéolaire est formée par des alvéoles de forme irrégulière ;
- les figures 6a-6c représentent des variantes de structures alvéolaires formées par des alvéoles régulières ;
- les figures 7a-7c représentent des variantes de formes d'alvéoles régulières pour une structure alvéolaire.
Description détaillée de l'invention
Comme représenté sur la figure 2, un outillage 1, également appelé conformateur, pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse comprend une paroi 2 qui comprend un logement 3 interne dans lequel la préforme fibreuse est installée afin d'être densifiée. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le logement 3 permet de fabriquer une plaque, cependant le logement 3 peut comprendre une forme différente suivant la forme de la pièce à fabriquer. Notamment, selon une variante avantageuse pour la fabrication d'un anneau de turbine, le logement 3 possède une forme de p (Pi). Une fois la préforme fibreuse installée dans le logement 3 de l'outillage 1, ledit outillage 1 est disposé dans un four afin d'amener la préforme fibreuse à des températures par exemple comprises entre 900°C et 1100°C. Un gaz comprenant une phase gazeuse du matériau de la matrice ou d'un précurseur du matériau de la matrice est ensuite injecté dans le four. Une pluralité d'outillages 1 peut être installée simultanément dans le four.
Afin de permettre la circulation du gaz au travers de la paroi afin d'atteindre la préforme fibreuse et ainsi former la matrice dans la porosité inter-fibres de la préforme fibreuse, la paroi 2 présente une structure en réseau alvéolaire (« lattice » selon la terminologie anglo-saxonne) qui définit une pluralité de canaux d'injection de gaz. La structure alvéolaire est formée par une pluralité d'alvéoles qui sont reliées entre elles, c'est-à- dire que les cavités formées par les alvéoles communiquent entre elles, permettant ainsi une bonne circulation du gaz à l'intérieur de la structure alvéolaire.
Le fait que la paroi 2 présente une structure en réseau alvéolaire permet à ladite paroi 2 d'avoir une porosité supérieure à 15%, améliorant ainsi la circulation de gaz au travers de la paroi 2. De manière avantageuse, la porosité de la paroi 2 est supérieure à 25%, afin d'améliorer d'avantage la circulation du gaz dans la paroi 2. De manière encore avantageuse, la porosité est comprise entre 40% et 60%, afin d'assurer un bon compromis entre la bonne circulation du gaz dans la paroi 2 et la résistance de ladite paroi 2.
La structure alvéolaire peut être formée par une pluralité d'alvéoles régulières qui forment un motif élémentaire qui est répété le long de ladite structure alvéolaire. Les figures 6a, 6b et 6c représentent des exemples possibles de structures alvéolaires formées par des alvéoles régulières qui forment un motif élémentaire répétés le long desdits structures. Les figures 7a, 7b et 7c, représentent des exemples possibles d'alvéoles régulières qui forment chacune un motif élémentaire qui peut être répété pour former la structure alvéolaire.
Par ailleurs, la structure alvéolaire peut être formée par plusieurs groupes d'alvéoles régulières, les alvéoles régulières de chaque groupe possédant des formes différentes, de manière à former ladite structure alvéolaire à partir de plusieurs motifs élémentaires. La structure alvéolaire peut également être formée par des alvéoles irrégulières qui possèdent des formes différentes, comme cela est par exemple illustré sur la figure 5. Contrairement aux alvéoles régulières, les alvéoles irrégulières ne forment pas un motif élémentaire qui est répété afin de former la structure alvéolaire.
La structure alvéolaire peut également être formée à la fois par des alvéoles régulières et des alvéoles irrégulières.
Une telle structure en réseau alvéolaire est fabriquée par fabrication additive.
Comme cela est illustré sur les figures 3a et b, selon une variante possible d'une structure en réseau alvéolaire formée par des alvéoles régulières, ladite structure en réseau alvéolaire est formée par une pluralité de points répartis sur une pluralité de plans parallèles entre eux, chaque plan étant formé par un maillage régulier de points, chaque point étant relié par une tige à des points situés sur un plan adjacent supérieur et à des points situés sur un plan adjacent inférieur. Les canaux d'injection du gaz sont formés par les espaces entre les tiges. Le maillage des points sur les plans peut être réalisé suivant différents motifs possibles. Les points peuvent par exemple être répartis sur les plans de manière à former des quadrilatères, et notamment des carrés, ou bien des triangles, et notamment des triangles équilatéraux, ou bien encore par exemple des hexagones réguliers. D'autres formes pour le motif de maillage sont également possibles, comme par exemple des motifs non réglés. La forme en carrée du maillage des points assure un bon compromis entre la tenue mécanique de l'outillage, la facilité de circulation du gaz à l'intérieur de la paroi 2, et la surface d'échange entre l'outillage et le gaz.
Une telle structure en treillis, formée par des tiges reliant des points offre une bonne porosité tout en assurant une bonne tenue mécanique. De plus, une structure en treillis est plus facile à concevoir.
Afin d'améliorer la tenue mécanique de l'outillage 1, les points sont situés au centre du motif formé par les points les plus proches du plan adjacent supérieur et au centre du motif formé par les points les plus proches du plan adjacent inférieur. Les points disposés sur un plan sont ainsi décalés par rapport aux points du plan adjacent supérieur et du plan adjacent inférieur, et les points du plan adjacent supérieur sont alignés avec les points du plan adjacent inférieur. Il est également possible de faire varier le décalage entre les points des plans adjacents, cette variation pouvant être une variante locale. Cette variation de décalage entre les points des plans adjacents peut notamment être réalisée en diminuant localement le décalage entre les points, afin de soutenir des zones éloignées de la préforme. La diminution locale du décalage entre les points peut aller jusqu'à l'alignement des points des plans adjacents.
Comme illustré sur la figure 1, la paroi 2 comprend une première surface d'injection 21 définissant le logement 3, et une deuxième surface d'injection 22 située sur l'extérieure de ladite paroi 2 qui définit l'extérieur de ladite paroi.
La première surface d'injection 21 comprend une pluralité de premiers orifices d'injection 21a, et la deuxième surface d'injection 22 comprend une pluralité de deuxièmes orifices d'injection 22a.
Ainsi, lorsque le gaz est injecté dans la paroi 2, le gaz entre dans la paroi par les deuxièmes orifices d'injection 22a et sort de la paroi 2 pour pénétrer dans le logement 3 par les premiers orifices d'injection 21a.
Les premiers orifices d'injection 21a comprennent une première taille et sont répartis sur la première surface d'injection 21 selon une première densité. Les deuxièmes orifices d'injection 22a comprennent une deuxième taille et sont répartis sur la deuxième surface d'injection 22 selon une deuxième densité. La première taille est inférieure à la deuxième taille et la première densité est supérieure à la deuxième densité. La densité des orifices d'injection correspond au nombre d'orifices par unité de surface. Cette caractéristique permet d'assurer un compromis entre la bonne circulation du gaz à l'intérieur de l'outillage 1 et la limitation de l'apparition de défauts sur la surface de la pièce finale. En effet, il est préférable de réduire la taille des premiers orifices d'injection 21a formés sur la première surface d'injection 21 afin de limiter le risque que les fibres de la préforme fibreuse pénètrent dans lesdits premiers orifices d'injection 21a et ainsi forment des bosses sur la surface de la pièce finale. De plus, cette caractéristique permet de limiter la surface d'échange entre la paroi et le gaz, le gaz pouvant dégrader l'outillage.
Les premiers orifices d'injection 21a répartis sur la première surface d'injection 21 peuvent comprendre un diamètre inférieur au volume élémentaire représentatif (VER) de la préforme fibreuse afin d'assurer un bon état de surface de la pièce après densification. Les premiers orifices d'injection 21a peuvent toutefois localement posséder un diamètre supérieur au volume élémentaire représentatif (VER) de la préforme fibreuse, notamment dans au niveau des zones de la pièce à fabriquer pour lesquelles l'état de surface n'est pas un critère très important. Par diamètre on désigne ici la plus grande dimension des premiers orifices d'injection 21a.
La paroi 2 de l'outillage 1 est en céramique afin de résister à la circulation du gaz, et aux températures auxquelles la paroi 2 est soumis lors du dépôt de la matrice au sein de la préforme fibreuse. La paroi 2 peut par exemple comprendre du nitrure de silicium, de l'alumine, et/ou du dioxyde de zirconium. La paroi 2 peut notamment être constituée de nitrure de silicium, d'alumine, ou de dioxyde de zirconium. Ces matériaux offrent l'avantage de pouvoir être utilisés pour la fabrication additive de la paroi 2.
La paroi 2 peut être fabriquée par fabrication additive, également appelée fabrication tridimensionnelle, ou encore impression 3D. La paroi 2 peut par exemple être réalisée par injection (CIM pour « Ceramic Injection Molding » selon la terminologie anglo-saxonne), l'extrusion, impression tridimensionnelle CLIP (pour « Continuous Liquid Interface Production » selon la terminologie anglo-saxonne), ou l'impression tridimensionnelle à jet liant (ou « binder jetting » selon la terminologie anglo-saxonne). Pour ce faire, une poudre céramique est mélangée à un liant plastique, également appelé « feedstock » selon la terminologie anglo-saxonne. Une fois le mélange du liant plastique et le la céramique mis en forme afin de former la paroi 2, le liant plastique est éliminé, par exemple en chauffant la paroi 2, puis ladite paroi 2 qui ne comprend plus que de la céramique est frittée.
La paroi 2 peut également être fabriquée par un procédé de fabrication additive par photo-polymérisation, par exemple un procédé DLP (pour « Digital Light Processing ») ou procédé LCM (pour « Lithography-based Ceramic Manufacturing »). Pour ce faire, une poudre céramique est mélangée à une résine photosensible. Le mélange est mis en forme afin de former la paroi 2 en polymérisant la résine avec un rayonnement ultraviolet. La résine polymère est ensuite éliminée, par exemple par chauffage, afin de disposer d'une paroi 2 comprenant uniquement de la céramique. La paroi 2 peut ensuite être frittée.
Les figures 2a et 2b sont des illustrations de variantes possibles de la première surface d'injection 21, et notamment de la manière dont sont formés les premiers orifices d'injection 21a.
Dans cette variante illustrée sur la figure 2a, la structure alvéolaire est formée par un premier groupe d'alvéoles régulières et par un deuxième groupe d'alvéoles régulières. Les alvéoles du premier groupe sont formées par des tiges qui relient des points répartis selon un maillage régulier sur des plans parallèles superposés. Les alvéoles du deuxième groupe sont formées par des sphères tronquées réparties selon un quadrillage, lesdites sphères étant tronquées de manière de former le logement 3 dans la paroi 2.
Les alvéoles du deuxième groupe forment la première surface d'injection 21 de la paroi 2. Plus précisément, la première surface d'injection 21 est formée par une pluralité de cercles C formées par les sphères tronquées. Les cercles C sont des cercles identiques qui sont juxtaposés les uns à côtés des autres dans un même plan. Dans cette variante, les cercles C sont répartis selon un quadrillage, et les cercles C sont en contact ponctuel avec ces quatre cercles C adjacents. Dans cette variante, les premiers orifices d'injection 21a sont formés par l'espace formé entre quatre cercles C.
Les alvéoles du deuxième groupe peuvent toutefois avoir une forme différente. Les alvéoles du deuxième groupe peuvent notamment être formées par un maillage d'autres solides qui peuvent former des cercles C lorsque lesdits solides sont tronqués en étant interceptés par un plan, comme par exemple un cône ou un cylindre.
Dans la variante illustrée sur la figure 2b, la structure alvéolaire est également formée par un premier groupe d'alvéoles régulières, qui est similaire au premier groupe de la variante de la figure 2a, et un deuxième groupe d'alvéoles régulières. Les alvéoles du deuxième groupe sont formées par des ellipsoïdes tronqués répartis selon un quadrillage.
Dans cette variante de la figure 2b, la première surface d'injection 21 de la paroi 2 est formée par une pluralité d'ellipses E identiques qui sont juxtaposées les unes à côtés des autres dans un même plan, les ellipses E étant formées par les ellipsoïdes tronqués. Dans cette variante, les ellipses E sont en contact ponctuel par leurs sommets principaux (les sommets ayant le rayon de courbure minimum). Dans cette variante, les premiers orifices d'injection 21a sont formés par l'espace formé entre les lignes d'ellipses E qui sont formées par les ellipses E en contact.
Les formes en cercle C ou en ellipse E sont obtenues en choisissant le niveau dans la structure en réseau alvéolaire de la paroi 2 auquel le logement 3 est formé. D'autres formes sont possibles, suivant la manière dont la structure en réseau alvéolaire de la paroi 2 est tronquée pour faire le logement 3.
De manière plus générale, la première surface d'injection 21 n'est pas limitée à une surface formée par un maillage de cercle C ou d'ellipses E, d'autres formes pouvant être choisies afin d'assurer l'état de surface visé pour la pièce à fabriquer.
Selon une variante possible illustrée sur la figure 3, la paroi 2 de l'outillage 1 est recouverte par une coque 4 étanche qui est étanche au gaz. Afin de permettre l'injection du gaz à l'intérieur de la paroi 2, au moins un canal d'injection 41 est formé dans la coque 4. La coque 4 peut par exemple être en graphite. La coque 4 peut également être dans le même matériau que la paroi 2. L'outillage 1 selon la variante de la figure 3 est installé dans le four, et la source du gaz est connectée à chaque canal d'injection 41 formé dans la coque 4 afin d'injecter le gaz directement dans l'outillage 1. Si une pluralité d'outillages 1 est disposée dans le four, la source de gaz est connectée à chaque canal d'injection 41 de la coque 4 des outillages 1. Une telle variante permet de diminuer la quantité de gaz à injecter, car seul le volume interne de l'outillage 1 doit être rempli de gaz, et non plus le volume interne du four qui est plus important que le volume interne de l'outillage 1.
La paroi 2 de l'outillage 1 peut être formée par deux demi-parois 20 amovibles qui comprennent chacune une portion du logement 3 et qui sont assemblées ensemble afin de former la paroi 2. Les demi-parois 20 peuvent comprendre des moyens de fixation, tel que par exemple des brides de fixation comprenant un perçage destiné à recevoir un boulonnage, afin de permettre de fixer les demi-parois 20 ensemble. Les moyens de fixation peuvent être fabriqués avec l'ensemble de la demi- paroi 20 par fabrication additive. Lorsque l'outillage 1 comprend une coque 4, les demi-parois 20 peuvent être chacune recouverte par une demi-coque.

Claims

REVENDICATIONS
1. Outillage (1) pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse, ledit outillage (1) comprenant au moins une paroi (2) qui comprend un logement (3) destiné à recevoir la préforme fibreuse, caractérisé en ce que ladite paroi (2) présente une structure en réseau alvéolaire définissant une pluralité de canaux d'injection de gaz, la structure en réseau alvéolaire étant formée par une pluralité d'alvéoles qui sont reliées entre elles.
2. Outillage (1) selon la revendication 1, dans lequel la paroi (2) comprend une porosité supérieure à 15%. 3. Outillage (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la paroi
(2) comprend une première surface d'injection (21) définissant le logement
(3) et comprenant une pluralité de premiers orifices d'injection (21a) du gaz ayant une première taille et qui sont répartis selon une première densité sur ladite première surface d'injection (21), ladite paroi (2) comprenant également une deuxième surface d'injection (22) située sur l'extérieur de la paroi (2) qui comprend une pluralité de deuxièmes orifices d'injection (22a) du gaz ayant une deuxième taille et qui sont répartis selon une deuxième densité sur ladite deuxième surface d'injection (22), la première taille étant inférieure à la deuxième taille et la première densité étant supérieure à la deuxième densité.
4. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la structure en réseau alvéolaire est formée par une pluralité de points répartis sur une pluralité de plans parallèles entre eux, chaque plan étant formé par un maillage régulier de points, chaque point étant situé au centre d'un premier motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent supérieur et au centre d'un deuxième motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent inférieur, chaque point étant relié par une tige aux points les plus proches du plan adjacent supérieur et aux points les plus proches du plan adjacent inférieur.
5. Outillage (1) selon la revendication 4, dans lequel le premier motif et le deuxième motif sont des carrés.
6. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la paroi (2) est en céramique.
7. Outillage (1) selon la revendication 6, dans lequel la paroi (2) comprend du nitrure de silicium, de l'alumine, et/ou du dioxyde de zirconium.
8. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la paroi (2) comprend une deuxième surface d'injection (22) située à l'extérieur de la paroi (2) qui est recouverte par une coque (4) étanche à un gaz, au moins un canal d'injection (41) étant formé dans la coque (4) pour l'injection du gaz dans la paroi (2).
9. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la paroi (2) est formée par deux demi-parois (20) amovibles qui définissent chacune une portion du logement (3).
10. Ensemble pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse comprenant au moins un outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, un four dans lequel est situé chaque outillage (1), et une source de gaz configurée pour injecter le gaz à l'intérieur du four.
11. Ensemble selon la revendication 10, comprenant au moins un outillage (1) selon la revendication 8 et dans lequel la source de gaz est connectée audit au moins un canal d'injection (4) de la coque (4) de chaque outillage (1).
12. Procédé de fabrication d'un outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l'outillage (1) est fabriqué par fabrication additive.
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