WO2021005280A1 - Method for producing a composite material part having a silicon carbide matrix - Google Patents

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WO2021005280A1
WO2021005280A1 PCT/FR2020/051128 FR2020051128W WO2021005280A1 WO 2021005280 A1 WO2021005280 A1 WO 2021005280A1 FR 2020051128 W FR2020051128 W FR 2020051128W WO 2021005280 A1 WO2021005280 A1 WO 2021005280A1
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silicon carbide
temperature
powder
grains
silicon
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PCT/FR2020/051128
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Stéphane Roger André GOUJARD
Inès BERDOYES
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Safran Ceramics
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Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a part made of a ceramic matrix composite (“Ceramic Matrix Composite”; “CMC”) in which the matrix is formed by infiltration of a composition based on silicon in the molten state. (“Melt-Infi Itration”; "MI”).
  • CMC Ceramic Matrix Composite
  • One field of application of the invention is the production of parts intended to be exposed in service to high temperatures, in particular in the aeronautical and space fields, in particular parts of hot parts of
  • CMC composite materials have good thermostructural properties, that is, high mechanical properties which make them suitable for constituting structural parts, and the ability to maintain these properties at high levels.
  • a method of manufacturing CMC parts consists in making a multilayer woven preform from silicon carbide fibers to make an interphase deposition of boron nitride BN by chemical vapor infiltration (“Chemical Vapor Infiltration”; “CVI ») Then a first densification from silicon carbide obtained by CVI. Then, a silicon carbide powder is introduced into the preform and the preform thus charged with the powder is infiltrated with molten silicon or with a molten silicon alloy. The silicon or the silicon alloy rises by capillary action and colonizes the porosity. It is possible to obtain a material whose final residual porosity is very low (conventionally less than 2%).
  • the material obtained contains a relatively large percentage of free silicon (conventionally from 14% to 20%) because this silicon has not reacted or has reacted very little with the silicon carbide powder.
  • the part obtained exhibits satisfactory properties at high temperature but with a view to use at very high temperature, for temperatures close to 1480 ° C., this part may have limitations.
  • the invention relates, according to a first aspect, to a method of manufacturing a part made of composite material with a silicon carbide matrix, comprising at least:
  • a fiber preform with a molten composition comprising mainly silicon by mass, a first temperature being imposed during infiltration and a powder being present in the porosity of said preform, said powder comprising grains formed of a boron-doped carbon or carbon core coated with a coating of silicon carbide, said first temperature being sufficiently low to prevent the reaction of the molten composition with the core of the grains of the powder, and - Submitting the preform thus infiltrated to a second temperature above the first temperature and sufficient to allow the reaction of the molten composition with the core of the grains of the powder and thus form silicon carbide.
  • molten composition comprising predominantly silicon by mass
  • the mass content of silicon in the molten composition is greater than or equal to 50%, for example greater than or equal to 75%, or even to 90%.
  • the invention proposes a manufacturing method making it possible to limit the rate of free silicon while maintaining a low residual porosity in the part obtained.
  • the method comprises a first step of infiltration of the fiber preform during which the first temperature is imposed. This step allows the colonization of the porosity of the fiber preform containing the powder by the molten composition without the latter interacting with the powder, that is to say without the latter reacting with the carbon nucleus of the powder. grains.
  • the first temperature imposed during this first infiltration step is higher than the melting temperature of the molten composition while remaining sufficiently low to avoid the interaction between the molten composition and the powder. In fact, if too high a temperature is imposed, the molten composition penetrates through the coating of silicon carbide or this coating decomposes, which leads to the reaction between the silicon of the molten composition and the carbon of the core of the grains.
  • the first temperature is chosen as a function of the characteristics of the silicon carbide coating employed, namely the stoichiometric character or not of the coating, its crystalline or amorphous character and its thickness.
  • the finer the coating of silicon carbide the more the first temperature must be limited in order to avoid the reaction between the molten composition and the carbonaceous core of the grains of the powder.
  • the more the silicon carbide has an amorphous character that is to say a small size of silicon carbide crystallites), the lower the first temperature must be in order to avoid the reaction.
  • the first temperature is chosen to be sufficiently low, taking into account the characteristics of the silicon carbide coating of the grains used, in order to guarantee that this coating allows the protection of the carbonaceous core of the grains of the molten composition and prevents contact between the silicon of the molten composition and the carbonaceous core. This avoids any risk of prematurely clogging the porosity during infiltration by reaction between the molten silicon and the solid carbon - which makes it possible to obtain complete infiltration and therefore a low residual porosity in the finished part.
  • the temperature to which the infiltrated preform is subjected is then increased from the first temperature to the second temperature.
  • the temperature is thus increased to allow the penetration of the molten composition through the coating of silicon carbide or the decomposition of this coating in order to bring the silicon of the molten composition into contact with the carbonaceous core of the grains of the powder.
  • the chemical reaction between these two elements is thus permitted and leads to the formation of silicon carbide by consuming the liquid silicon and makes it possible to obtain a part with a reduced free silicon content.
  • silicon carbide coating of the powder grains having particular characteristics and indicates for each of these examples the working ranges for the first and second temperatures.
  • the grains of the powder have a coating of silicon carbide having:
  • the first temperature is less than or equal to 1450 ° C, and the second temperature greater than or equal to 1460 ° C.
  • an average dimension designates the dimension given by the statistical particle size distribution at half the population.
  • the average grain size thus corresponds to the size D50 of the grains and the average thickness of the coating at the median thickness of the coating on the different grains.
  • the average size of silicon carbide crystallites can be determined from the result of an X-ray diffractometry (XRD) test by applying Scherrer's formula.
  • the grains of the powder have a coating of silicon carbide having:
  • the first temperature is less than or equal to 1440 ° C, and the second temperature greater than or equal to 1450 ° C.
  • the grains of the powder have a coating of silicon carbide having:
  • the first temperature is less than or equal to 1430 ° C, and the second temperature greater than or equal to 1440 ° C.
  • the fiber preform comprises silicon carbide fibers having an oxygen content of less than or equal to 1% in atomic percentage.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating the various steps of an example of a method according to the invention.
  • FIG. 2 schematically illustrates a grain of a powder which can be used within the framework of the invention.
  • FIG. 3 illustrates an example of the change in temperature that can be implemented within the framework of the invention.
  • a fiber preform is formed (step 10).
  • This fibrous preform is intended to form the fibrous reinforcement of the part to be obtained.
  • the fiber preform may comprise silicon carbide fibers having, for example, an oxygen content of less than or equal to 1% in atomic percentage.
  • the fibers used can be silicon carbide (SiC) fibers supplied under the name “Hi-Nicalon” or “Hi-Nicalon-S” by the Japanese company Nippon Carbon or “Tyranno SA3” by the company UBE.
  • the preform may, as a variant or in combination, comprise carbon fibers.
  • the fiber preform can be obtained by three-dimensional weaving between a plurality of layers of warp threads and a plurality of layers of weft threads.
  • the three-dimensional weaving produced can be an “interlock” weave, that is to say a weaving weave in which each layer of weft threads binds several layers of warp threads with all the threads of the same column of yarns. weft having the same movement in the plane of the weave.
  • Different weaving modes that can be used are described in document WO 2006/136755.
  • the fiber preform can also be obtained by assembling a plurality of fiber textures.
  • the fiber textures can be linked together, for example by stitching.
  • the fibrous textures can in particular each be obtained from a layer or a stack of several layers of:
  • UD Unidirectional sheet
  • nD multidirectional plies
  • an interphase of defragilization can be formed on the fibers of the preform (step 20).
  • a surface treatment of the fibers prior to the formation of the interphase is preferably carried out to remove the size and a surface layer of oxide such as silica S1O2 present on the fibers.
  • the interphase can be formed by CVI.
  • the interphase can be monolayer or multilayer.
  • the interphase can comprise one or more layers of pyrolytic carbon (PyC), of boron nitride (BN), or of carbon doped with boron, noted BC (the carbon doped with boron having an atomic boron content of between 5% and 20%, the rest being carbon).
  • the thickness of the interphase can be greater than or equal to 10 nm and for example be between 10 nm and 1000 nm. Of course, it is not outside the scope of the invention when the interphase is formed on the fibers before formation of the preform.
  • a consolidation phase comprising silicon carbide can then be formed in the porosity of the fiber preform in a manner known per se (step 30).
  • the consolidation phase can be formed by chemical vapor infiltration.
  • the consolidation phase can comprise silicon carbide, and for example comprise only silicon carbide.
  • the consolidation phase may comprise, in addition to the silicon carbide, a self-healing material. It is possible to choose a self-healing material containing boron, for example a ternary Si-BC system or boron carbide B 4 C capable of forming, in the presence of oxygen, a borosilicate type glass having properties.
  • the thickness of the deposit of the consolidation phase may be greater than or equal to 500 nm, for example between 1 ⁇ m and 30 ⁇ m.
  • the outer layer of the consolidation phase (furthest from the fibers) is advantageously made of silicon carbide in order to constitute a reaction barrier between the underlying fibers and the molten silicon composition introduced subsequently.
  • the thickness of the consolidation phase is sufficient to consolidate the fiber preform, that is to say to bind the fibers of the preform together sufficiently so that the preform can be handled while retaining its shape without assistance. maintenance tools.
  • the preform remains porous, the initial porosity for example only being filled for a minority part by the interphase and the consolidation phase.
  • the powder of grains coated with silicon carbide is then introduced into the porosity of the consolidated fiber preform (step 40).
  • the consolidated preform is impregnated with a slip containing the powder suspended in a liquid medium, for example water, a dispersant and a base.
  • the powder can be retained in the preform by filtration or by settling optionally with the aid of pressure and / or vacuum.
  • Use is preferably made of a powder formed of grains of average size (D50) less than or equal to 5 ⁇ m, or even less than or equal to 1 ⁇ m.
  • the powder can typically fill 40% to 65%, for example 45% to 55%, of the porosity remaining in the material after the consolidation step. By way of illustration, this may represent from 12% to 25% of the initial porosity of the fiber preform.
  • the powder used is formed by a plurality of grains 100 as illustrated in FIG. 2.
  • the grains 100 each comprise a core 102, or heart, made of carbon. or carbon doped with boron. As in the case of the above interphase, the boron-doped carbon has an atomic boron content of between 5% and 20%, the remainder being carbon.
  • the grains 100 each further include a coating 104 of silicon carbide encapsulating the core 102.
  • the coating 104 forms a continuous layer of silicon carbide around the core 102.
  • the coating 104 contacts the core 102.
  • the coating 104 defines the core. external surface SI of grain 100.
  • the thickness e of the coating 104 and the size t of grain 100 are also shown diagrammatically in FIG. 2.
  • the silicon carbide coating of the grains may have an atomic silicon content of between 45% and 55% and an atomic carbon content of between 45% and 55% in addition to 100%.
  • the coating of the grains may have an average size of silicon carbide crystallites less than or equal to 40 nanometers, for example less than or equal to 20 nanometers, for example less than or equal to 15 nanometers, or even less than or equal to 10 nanometers.
  • the average size of silicon carbide crystallites in the coating 104 may be greater than or equal to 3 nanometers, for example greater than or equal to 5 nanometers, and for example be between 3 nanometers and 40 nanometers, for example between 3 nanometers and 20 nanometers.
  • This average size of the silicon carbide crystallites can be between 5 nanometers and 40 nanometers, for example between 5 nanometers and 20 nanometers.
  • the average thickness e of the coating 104 of the grains may for example be less than or equal to 150 nm, for example less than or equal to 100 nm, for example less than or equal to 50 nm.
  • the average thickness e of the coating 104 of the grains may for example be greater than or equal to 1 nm, for example greater than or equal to 5 nm.
  • the average thickness e of the coating 104 of the grains may be between 1 nm and 150 nm, for example between 1 nm and 100 nm, for example between 1 nm and 50 nm.
  • the average thickness e of the coating 104 of the grains may be between 5 nm and 150 nm, for example between 5 nm and 100 nm, for example between 5 nm and 50 nm.
  • the average thickness e of the coating 104 of the grains may be between 5 nm and 150 nm, for example between 5 nm and 100 nm, for example between 5 nm and 50 nm.
  • the grains forming the powder can be formed by treating a powder of carbon, or of carbon doped with boron, by chemical vapor deposition (“Chemical Vapor Deposition”; “CVD”) of silicon carbide in a fluidized bed. Depending on the operating conditions used, the stoichiometry and the average size of the crystallites can be controlled. The duration of the deposition makes it possible to adjust the thickness of the coating - the longer the time, the greater the thickness of the coating.
  • 10 grams of a carbon grain powder could be coated in the following manner.
  • the carbon powder grains had an average size of between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • the carbon powder was placed in a reactor with a diameter of 50 mm and a height of 1000 mm.
  • the gas phase included a mixture of argon (carrier gas), MTS and
  • - argon carrier gas flow rate of 1000 to 4000 standard cubic centimeters per minute, preferably 2000 standard cubic centimeters per minute,
  • MTS gas methyltrichlorosilane: flow rate of 100 to 200 standard cubic centimeters per minute, preferably 150 standard cubic centimeters per minute,
  • - hydrogen gas flow rate of 600 to 1000 standard cubic centimeters per minute, preferably 800 standard cubic centimeters per minute.
  • the deposition temperature was between 900 ° C and 1000 ° C, preferably 950 ° C.
  • the pressure in the reactor was between 300 and 600 millibars, preferably 450 millibars.
  • the deposited thickness depends on the duration of the treatment. By way of example, a duration of one hour made it possible to deposit a thickness of about 100 nanometers.
  • a carbon or carbon powder doped with boron is first of all dispersed in a liquid phase comprising a solvent optionally containing a surfactant.
  • the solvent can be polar or non-polar.
  • the solvent may for example comprise at least one alcohol, such as ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, a mixture of these compounds.
  • the surfactant can be anionic, cationic or nonionic.
  • the surfactant may for example comprise at least one of:
  • polyvinylpyrrolidone PVP
  • polyvinyl alcohol PVA
  • polyethylene oxide PEO
  • polypropylene oxide PPO
  • a precursor containing silicon is then added to the solvent in which the powder has been dispersed.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • a heat treatment is then carried out making it possible to dry the powder and to form a silica coating on the surface of the carbon or boron-doped carbon cores.
  • the silicon carbide coating is then obtained by carburizing the silica coating by subjecting it to an atmosphere containing carbon.
  • a high temperature treatment could be carried out to form the coating of silicon carbide by reaction between the silica and the carbon of the powder.
  • a heat treatment of deoxidation of the powder can be carried out.
  • This deoxidation heat treatment can be carried out under reduced pressure.
  • the deoxidation heat treatment can be carried out at a temperature between 1250 ° C and 1400 ° C.
  • the silicon or silicon alloy powder intended to form the molten composition can also be subjected to this heat deoxidation treatment.
  • the fiber preform is then infiltrated by the composition melted at the first temperature (step 50 in FIG. 1).
  • the molten composition mainly comprises molten silicon by mass.
  • This composition may correspond to molten silicon alone or to a silicon alloy in the molten state which further contains one or more other elements such as titanium, molybdenum, boron, iron or niobium.
  • the silicon content by mass in the molten composition can be greater than or equal to 75%, for example 90%.
  • the preform containing the powder is then completely impregnated with the molten composition after infiltration. The molten composition infiltrates the porosity of the fiber preform and comes around the grains of the powder.
  • the infiltration is carried out at a first temperature which is sufficient to melt the molten composition but which is not too high to avoid a reaction between the silicon of the molten composition and the carbon of the grains of the powder. and thus avoid any risk of premature clogging of the porosity.
  • the first temperature is chosen as a function of the characteristics of the coating 104 of silicon carbide grains 100 as indicated above. The first one
  • temperature may be less than or equal to 1450 ° C, for example less than or equal to 1440 ° C, or even less than or equal to 1430 ° C.
  • a temperature rise step is then carried out so as to allow the chemical reaction of the silicon of the molten composition with the carbonaceous core of the grains of the powder (step 60 in FIG. 1).
  • the temperature is then increased so as to crack or decompose the coating 104 of silicon carbide of the grains 100 and allow the silicon of the molten composition to come into contact with the carbonaceous core of the grains.
  • the second temperature also depends on the characteristics of the coating 104 of silicon carbide employed but may however remain less than or equal to 1550 ° C.
  • the second temperature can be at least 10 ° C higher than the first temperature.
  • temperature may be greater than or equal to 10 minutes, for example greater than or equal to 30 minutes.
  • This duration may be less than or equal to 90 minutes. This duration can for example be between 10 minutes and 90 minutes, for example between 30 minutes and 90 minutes.
  • An interphase and / or a consolidation phase can be formed on the fibers after formation of the preform and before introduction of the powder as mentioned above.
  • the method for manufacturing the part may include at least the following steps:
  • molten composition comprising mainly silicon by mass, a silicon carbide matrix being formed in the porosity of the fiber preform during infiltration in order to obtain the part made of composite material.

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Abstract

The present invention relates to the production of a composite material part having a silicon carbide matrix, comprising a first step of infiltrating a fibrous preform filled with a carbonaceous powder coated with silicon carbide, and then a second step of rising the temperature so as to react the infiltrated composition with the carbon of the powder.

Description

Description Description
Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice de carbure de silicium Title of the invention: Method of manufacturing a part made of composite material with a silicon carbide matrix
Domaine Technique Technical area
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique (« Ceramic Matrix Composite » ; « CMC ») dans lequel la matrice est formée par infiltration d'une composition à base de silicium à l'état fondu (« Melt-Infi Itration » ; « MI »). The invention relates to a method of manufacturing a part made of a ceramic matrix composite (“Ceramic Matrix Composite”; “CMC”) in which the matrix is formed by infiltration of a composition based on silicon in the molten state. ("Melt-Infi Itration"; "MI").
Technique antérieure Prior art
Un domaine d’application de l’invention est la réalisation de pièces destinées à être exposées en service à des températures élevées, notamment dans des domaines aéronautique et spatial, en particulier des pièces de parties chaudes de One field of application of the invention is the production of parts intended to be exposed in service to high temperatures, in particular in the aeronautical and space fields, in particular parts of hot parts of
turbomachines aéronautiques, étant noté que l’invention peut être appliquée dans d’autres domaines, par exemple dans le domaine des turbines à gaz industrielles.aeronautical turbomachines, it being noted that the invention can be applied in other fields, for example in the field of industrial gas turbines.
Les matériaux composites CMC possèdent de bonnes propriétés thermostructurales, c'est-à-dire des propriétés mécaniques élevées qui les rendent aptes à constituer des pièces structurales, et la capacité de conserver ces propriétés à hautes CMC composite materials have good thermostructural properties, that is, high mechanical properties which make them suitable for constituting structural parts, and the ability to maintain these properties at high levels.
températures. L'utilisation de matériaux CMC à la place de matériaux métalliques pour des pièces exposées en service à des températures élevées a donc été préconisée, d'autant que ces matériaux présentent une masse volumique temperatures. The use of CMC materials instead of metallic materials for parts exposed in service to high temperatures has therefore been recommended, especially since these materials have a density
sensiblement plus faible que les matériaux métalliques auxquels ils se substituent.significantly weaker than the metallic materials for which they are substituted.
Un procédé de fabrication de pièces en CMC consiste à réaliser une préforme tissée multicouche à partir de fibres de carbure de silicium à faire un dépôt d'interphase de nitrure de bore BN par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI ») puis une première densification à partir de carbure de silicium obtenu par CVI. Ensuite, une poudre de carbure de silicium est introduite dans la préforme et on infiltre la préforme ainsi chargée de la poudre par du silicium fondu ou par un alliage de silicium fondu. Le silicium ou l'alliage de silicium monte par capillarité et vient coloniser la porosité. On peut obtenir un matériau dont la porosité finale résiduelle est très faible (classiquement inférieure à 2%). En revanche, le matériau obtenu contient un pourcentage relativement important de silicium libre (classiquement de 14% à 20 %) car ce silicium n'a pas réagi ou a très peu réagi avec la poudre de carbure de silicium. La pièce obtenue présente des propriétés satisfaisantes à haute température mais dans l'optique d'une utilisation à très haute température, pour des températures proches de 1480°C, cette pièce peut présenter des limitations. A method of manufacturing CMC parts consists in making a multilayer woven preform from silicon carbide fibers to make an interphase deposition of boron nitride BN by chemical vapor infiltration (“Chemical Vapor Infiltration”; “CVI ») Then a first densification from silicon carbide obtained by CVI. Then, a silicon carbide powder is introduced into the preform and the preform thus charged with the powder is infiltrated with molten silicon or with a molten silicon alloy. The silicon or the silicon alloy rises by capillary action and colonizes the porosity. It is possible to obtain a material whose final residual porosity is very low (conventionally less than 2%). In on the other hand, the material obtained contains a relatively large percentage of free silicon (conventionally from 14% to 20%) because this silicon has not reacted or has reacted very little with the silicon carbide powder. The part obtained exhibits satisfactory properties at high temperature but with a view to use at very high temperature, for temperatures close to 1480 ° C., this part may have limitations.
Afin de réduire le silicium libre des solutions ont été proposées en chargeant la préforme avec une poudre comprenant un mélange de grains de carbure de silicium et de grains de carbone. On recherche dans cette solution que le silicium réagisse avec les grains de carbone de sorte à former du carbure de silicium et à diminuer le taux de silicium libre. Toutefois, une infiltration complète n'est pas toujours obtenue avec un tel mélange de poudres car durant l'infiltration la réaction du silicium fondu avec le carbone solide peut conduire à un bouchage prématuré de la porosité et donc à une limitation de l'infiltration. D'autre part, il peut se produire une In order to reduce the free silicon, solutions have been proposed by charging the preform with a powder comprising a mixture of grains of silicon carbide and of carbon grains. In this solution, it is sought for the silicon to react with the carbon grains so as to form silicon carbide and to reduce the level of free silicon. However, complete infiltration is not always obtained with such a mixture of powders because during the infiltration the reaction of the molten silicon with the solid carbon can lead to premature blocking of the porosity and therefore to a limitation of the infiltration. On the other hand, there may be a
ségrégation entre les grains de poudre de carbure de silicium et de carbone qui conduit à des zones riches en carbure de silicium ou en carbone alors que la situation la plus favorable est un mélange homogène de poudre de carbone et de carbure de silicium. segregation between the grains of silicon carbide and carbon powder which leads to areas rich in silicon carbide or carbon, whereas the most favorable situation is a homogeneous mixture of carbon powder and silicon carbide.
Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite par infiltration à l'état fondu qui permette de réduire le taux de silicium libre tout en conservant une faible porosité résiduelle dans la pièce obtenue. It is therefore desirable to have a process for manufacturing a part made of composite material by infiltration in the molten state which makes it possible to reduce the level of free silicon while maintaining a low residual porosity in the part obtained.
Exposé de l'invention Disclosure of the invention
L'invention vise, selon un premier aspect, un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice de carbure de silicium, comprenant au moins : The invention relates, according to a first aspect, to a method of manufacturing a part made of composite material with a silicon carbide matrix, comprising at least:
- l'infiltration d'une préforme fibreuse avec une composition fondue comprenant majoritairement en masse du silicium, une première température étant imposée durant l'infiltration et une poudre étant présente dans la porosité de ladite préforme, ladite poudre comprenant des grains formés d'un noyau de carbone ou de carbone dopé au bore enrobé par un revêtement de carbure de silicium, ladite première température étant suffisamment faible pour éviter la réaction de la composition fondue avec le noyau des grains de la poudre, et - la soumission de la préforme ainsi infiltrée à une deuxième température supérieure à la première température et suffisante pour permettre la réaction de la composition fondue avec le noyau des grains de la poudre et former ainsi du carbure de silicium. Par « composition fondue comprenant majoritairement en masse du silicium », il faut comprendre que la teneur massique en silicium dans la composition fondue est supérieure ou égale à 50%, par exemple supérieure ou égale à 75%, voire à 90%. L'invention propose un procédé de fabrication permettant de limiter le taux de silicium libre tout en conservant une faible porosité résiduelle dans la pièce obtenue. Le procédé comprend une première étape d'infiltration de la préforme fibreuse durant laquelle la première température est imposée. Cette étape permet la colonisation de la porosité de la préforme fibreuse contenant la poudre par la composition fondue sans que celle-ci n'interagisse avec la poudre, c'est-à-dire sans que celle-ci ne réagisse avec le noyau carboné des grains. La première température imposée durant cette première étape d'infiltration est supérieure à la température de fusion de la composition fondue tout en restant suffisamment faible pour éviter l'interaction entre la composition fondue et la poudre. En effet, si une température trop élevée est imposée, la composition fondue pénètre au travers du revêtement de carbure de silicium ou ce revêtement se décompose, ce qui conduit à la réaction entre le silicium de la composition fondue et le carbone du noyau des grains. the infiltration of a fiber preform with a molten composition comprising mainly silicon by mass, a first temperature being imposed during infiltration and a powder being present in the porosity of said preform, said powder comprising grains formed of a boron-doped carbon or carbon core coated with a coating of silicon carbide, said first temperature being sufficiently low to prevent the reaction of the molten composition with the core of the grains of the powder, and - Submitting the preform thus infiltrated to a second temperature above the first temperature and sufficient to allow the reaction of the molten composition with the core of the grains of the powder and thus form silicon carbide. By “molten composition comprising predominantly silicon by mass”, it should be understood that the mass content of silicon in the molten composition is greater than or equal to 50%, for example greater than or equal to 75%, or even to 90%. The invention proposes a manufacturing method making it possible to limit the rate of free silicon while maintaining a low residual porosity in the part obtained. The method comprises a first step of infiltration of the fiber preform during which the first temperature is imposed. This step allows the colonization of the porosity of the fiber preform containing the powder by the molten composition without the latter interacting with the powder, that is to say without the latter reacting with the carbon nucleus of the powder. grains. The first temperature imposed during this first infiltration step is higher than the melting temperature of the molten composition while remaining sufficiently low to avoid the interaction between the molten composition and the powder. In fact, if too high a temperature is imposed, the molten composition penetrates through the coating of silicon carbide or this coating decomposes, which leads to the reaction between the silicon of the molten composition and the carbon of the core of the grains.
La première température est choisie en fonction des caractéristiques du revêtement de carbure de silicium employé, à savoir du caractère stoechiométrique ou non du revêtement, de son caractère cristallin ou amorphe et de son épaisseur. Plus le revêtement de carbure de silicium est fin, plus la première température doit être limitée afin d'éviter la réaction entre la composition fondue et le noyau carboné des grains de la poudre. Plus le carbure de silicium présente un écart élevé à une composition stoechiométrique, plus la première température doit être limitée afin d'éviter cette réaction. Plus le carbure de silicium présente un caractère amorphe (c'est-à-dire une faible taille de cristallites de carbure de silicium), plus la première température doit être faible afin d'éviter la réaction. The first temperature is chosen as a function of the characteristics of the silicon carbide coating employed, namely the stoichiometric character or not of the coating, its crystalline or amorphous character and its thickness. The finer the coating of silicon carbide, the more the first temperature must be limited in order to avoid the reaction between the molten composition and the carbonaceous core of the grains of the powder. The greater the variation of the silicon carbide from a stoichiometric composition, the more the first temperature must be limited in order to avoid this reaction. The more the silicon carbide has an amorphous character (that is to say a small size of silicon carbide crystallites), the lower the first temperature must be in order to avoid the reaction.
Par conséquent durant la première phase d'infiltration, la première température est choisie suffisamment faible, compte-tenu des caractéristiques du revêtement de carbure de silicium des grains mis en œuvre, afin de garantir que ce revêtement permette la protection du noyau carboné des grains de la composition fondue et évite une mise en contact entre le silicium de la composition fondue et le noyau carboné. On évite ainsi tout risque de colmater prématurément la porosité durant l'infiltration par réaction entre le silicium fondu et le carbone solide - ce qui permet d'obtenir une infiltration complète et donc une faible porosité résiduelle dans la pièce finie. Consequently, during the first infiltration phase, the first temperature is chosen to be sufficiently low, taking into account the characteristics of the silicon carbide coating of the grains used, in order to guarantee that this coating allows the protection of the carbonaceous core of the grains of the molten composition and prevents contact between the silicon of the molten composition and the carbonaceous core. This avoids any risk of prematurely clogging the porosity during infiltration by reaction between the molten silicon and the solid carbon - which makes it possible to obtain complete infiltration and therefore a low residual porosity in the finished part.
Une fois la première étape d'infiltration terminée, la température à laquelle est soumise la préforme infiltrée est ensuite augmentée de la première température jusqu'à la deuxième température. La température est ainsi augmentée jusqu'à permettre la pénétration de la composition fondue au travers du revêtement de carbure de silicium ou la décomposition de ce revêtement afin de mettre en contact le silicium de la composition fondue avec le noyau carboné des grains de la poudre. La réaction chimique entre ces deux éléments est ainsi permise et conduit à la formation de carbure de silicium en consommant le silicium liquide et permet d'obtenir une pièce avec un taux de silicium libre réduit. Once the first infiltration step is completed, the temperature to which the infiltrated preform is subjected is then increased from the first temperature to the second temperature. The temperature is thus increased to allow the penetration of the molten composition through the coating of silicon carbide or the decomposition of this coating in order to bring the silicon of the molten composition into contact with the carbonaceous core of the grains of the powder. The chemical reaction between these two elements is thus permitted and leads to the formation of silicon carbide by consuming the liquid silicon and makes it possible to obtain a part with a reduced free silicon content.
La suite décrit différents exemples selon l'invention concernant chacun un The following describes various examples according to the invention each relating to a
revêtement de carbure de silicium des grains de la poudre ayant des caractéristiques particulières et indique pour chacun de ces exemples les plages de travail pour les première et deuxième températures. silicon carbide coating of the powder grains having particular characteristics and indicates for each of these examples the working ranges for the first and second temperatures.
Dans un exemple de réalisation, les grains de la poudre présentent un revêtement de carbure de silicium ayant : In an exemplary embodiment, the grains of the powder have a coating of silicon carbide having:
- une composition stoechiométrique avec une teneur atomique en silicium de 50% et une teneur atomique en carbone de 50%, - a stoichiometric composition with an atomic silicon content of 50% and an atomic carbon content of 50%,
- une épaisseur moyenne comprise entre 20 nm et 100 nm, et - an average thickness between 20 nm and 100 nm, and
- une taille moyenne de cristallites de carbure de silicium comprise entre 8 nm et 20 nm, - an average size of silicon carbide crystallites of between 8 nm and 20 nm,
et la première température est inférieure ou égale à 1450°C, et la deuxième température supérieure ou égale à 1460°C. and the first temperature is less than or equal to 1450 ° C, and the second temperature greater than or equal to 1460 ° C.
Sauf mention contraire, une dimension moyenne (épaisseur ou taille) désigne la dimension donnée par la distribution granulométrique statistique à la moitié de la population. La taille moyenne des grains correspond ainsi à la taille D50 des grains et l'épaisseur moyenne du revêtement à l'épaisseur médiane du revêtement sur les différents grains. Unless stated otherwise, an average dimension (thickness or size) designates the dimension given by the statistical particle size distribution at half the population. The average grain size thus corresponds to the size D50 of the grains and the average thickness of the coating at the median thickness of the coating on the different grains.
La taille moyenne des cristallites de carbure de silicium peut être déterminée à partir du résultat d'un essai de diffractométrie aux rayons X (DRX) par application de la formule de Scherrer. La formule de Scherrer est la suivante : tmoy = The average size of silicon carbide crystallites can be determined from the result of an X-ray diffractometry (XRD) test by applying Scherrer's formula. Scherrer's formula is: tmoy =
O,9A/[c.cos(20/2)] où tmoy est la taille moyenne des cristallites de carbure de silicium, l est la longueur d’onde des rayons X, e est la largeur à mi-hauteur d'une raie relative au carbure de silicium mesurée en radians et 2Q est la position du sommet de cette raie sur le diffractogramme en degrés (°). Dans les cas particuliers où la loi de Scherrer risque de fournir des résultats approximatifs, par exemple lorsqu'il y a un recouvrement significatif entre deux raies voisines, il est possible d'utiliser la méthode de Rietveld. Cette méthode consiste à simuler un 0.9A / [c.cos (20/2)] where tmoy is the average size of silicon carbide crystallites, l is the wavelength of x-rays, e is the width at half the height of a line relative to the silicon carbide measured in radians and 2Q is the position of the top of this line on the diffractogram in degrees (°). In particular cases where Scherrer's law is likely to provide approximate results, for example when there is a significant overlap between two neighboring lines, it is possible to use Rietveld's method. This method consists in simulating a
diffractogramme à partir d'un modèle cristallographique de l'échantillon puis à ajuster les paramètres de ce modèle afin que le diffractogramme simulé soit le plus proche possible du diffractogramme expérimental. Ces étapes peuvent être réalisées à l'aide de logiciels spécifiques tels que FullProf, TOPAS, MAUD et FAULTS. diffractogram from a crystallographic model of the sample and then adjusting the parameters of this model so that the simulated diffractogram is as close as possible to the experimental diffractogram. These steps can be carried out using specific software such as FullProf, TOPAS, MAUD and FAULTS.
En variante, les grains de la poudre présentent un revêtement de carbure de silicium ayant : As a variant, the grains of the powder have a coating of silicon carbide having:
- une composition quasi-stoechiométrique avec une teneur atomique en silicium différente de 50% et comprise entre 49% et 51% et une teneur atomique en carbone différente de 50% et comprise entre 51% et 49%, - a quasi-stoichiometric composition with an atomic silicon content different from 50% and between 49% and 51% and an atomic carbon content different from 50% and between 51% and 49%,
- une épaisseur moyenne comprise entre 30 nm et 120 nm, et - an average thickness between 30 nm and 120 nm, and
- une taille moyenne de cristallites de carbure de silicium comprise entre 5 nm et 15 nm, - an average size of silicon carbide crystallites of between 5 nm and 15 nm,
et la première température est inférieure ou égale à 1440°C, et la deuxième température supérieure ou égale à 1450°C. and the first temperature is less than or equal to 1440 ° C, and the second temperature greater than or equal to 1450 ° C.
En variante encore, les grains de la poudre présentent un revêtement de carbure de silicium ayant : As a further variant, the grains of the powder have a coating of silicon carbide having:
- une composition non-stoechiométrique avec une teneur atomique en silicium comprise entre 45% et 49% ou entre 51% et 55%, et une teneur atomique en carbone comprise entre 51% et 55% ou entre 45% et 49%, - a non-stoichiometric composition with an atomic silicon content of between 45% and 49% or between 51% and 55%, and an atomic carbon content of between 51% and 55% or between 45% and 49%,
- une épaisseur moyenne comprise entre 40 nm et 150 nm, et - une taille moyenne de cristallites de carbure de silicium comprise entre 3 nm et 10 nm, - an average thickness between 40 nm and 150 nm, and - an average size of silicon carbide crystallites of between 3 nm and 10 nm,
et la première température est inférieure ou égale à 1430°C, et la deuxième température supérieure ou égale à 1440°C. and the first temperature is less than or equal to 1430 ° C, and the second temperature greater than or equal to 1440 ° C.
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse comprend des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. In an exemplary embodiment, the fiber preform comprises silicon carbide fibers having an oxygen content of less than or equal to 1% in atomic percentage.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
[Fig. 1] La figure 1 est un ordinogramme illustrant les différentes étapes d'un exemple de procédé selon l'invention. [Fig. 1] FIG. 1 is a flowchart illustrating the various steps of an example of a method according to the invention.
[Fig. 2] La figure 2 illustre schématiquement un grain d'une poudre pouvant être utilisée dans le cadre de l'invention. [Fig. 2] FIG. 2 schematically illustrates a grain of a powder which can be used within the framework of the invention.
[Fig. 3] La figure 3 illustre un exemple d'évolution de la température pouvant être mise en œuvre dans le cadre de l'invention. [Fig. 3] FIG. 3 illustrates an example of the change in temperature that can be implemented within the framework of the invention.
Description des modes de réalisation Description of embodiments
Dans un premier temps, une préforme fibreuse est formée (étape 10). Cette préforme fibreuse est destinée à former le renfort fibreux de la pièce à obtenir. La préforme fibreuse peut comprendre des fibres de carbure de silicium ayant par exemple une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Les fibres utilisées peuvent être des fibres de carbure de silicium (SiC) fournies sous la dénomination « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise Nippon Carbon ou « Tyranno SA3 » par la société UBE. La préforme peut, en variante ou en combinaison, comporter des fibres de carbone. First, a fiber preform is formed (step 10). This fibrous preform is intended to form the fibrous reinforcement of the part to be obtained. The fiber preform may comprise silicon carbide fibers having, for example, an oxygen content of less than or equal to 1% in atomic percentage. The fibers used can be silicon carbide (SiC) fibers supplied under the name “Hi-Nicalon” or “Hi-Nicalon-S” by the Japanese company Nippon Carbon or “Tyranno SA3” by the company UBE. The preform may, as a variant or in combination, comprise carbon fibers.
La préforme fibreuse peut être obtenue par tissage tridimensionnel entre une pluralité de couches de fils de chaîne et une pluralité de couches de fils de trame. Le tissage tridimensionnel réalisé peut être un tissage à armure « interlock », c'est-à- dire une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d’une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l’armure. Différents modes de tissage utilisables sont décrits dans le document WO 2006/136755. The fiber preform can be obtained by three-dimensional weaving between a plurality of layers of warp threads and a plurality of layers of weft threads. The three-dimensional weaving produced can be an “interlock” weave, that is to say a weaving weave in which each layer of weft threads binds several layers of warp threads with all the threads of the same column of yarns. weft having the same movement in the plane of the weave. Different weaving modes that can be used are described in document WO 2006/136755.
La préforme fibreuse peut encore être obtenue par assemblage d'une pluralité de textures fibreuses. Dans ce cas, les textures fibreuses peuvent être liées entre elles, par exemple par couture. Les textures fibreuses peuvent notamment être chacune obtenue à partir d'une couche ou d'un empilement de plusieurs couches de : The fiber preform can also be obtained by assembling a plurality of fiber textures. In this case, the fiber textures can be linked together, for example by stitching. The fibrous textures can in particular each be obtained from a layer or a stack of several layers of:
- tissu unidimensionnel (UD), - one-dimensional fabric (UD),
- tissu bidimensionnel (2D), - two-dimensional fabric (2D),
- tresse, - braid,
- tricot, - knitting,
- feutre, - felt,
- nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelle (nD) obtenue par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et liaison des nappes UD entre elles par exemple par couture, ou par agent de liaison chimique. - Unidirectional sheet (UD) of son or cables or multidirectional plies (nD) obtained by superimposing several UD plies in different directions and binding of the UD plies together for example by sewing, or by chemical bonding agent.
Dans le cas d'un empilement de plusieurs couches, celles-ci sont liées entre elles par exemple par couture, ou par implantation de fils ou d’éléments rigides. In the case of a stack of several layers, they are linked together, for example by stitching, or by implanting wires or rigid elements.
Une fois la préforme formée, une interphase de défragilisation peut être formée sur les fibres de la préforme (étape 20). Once the preform has been formed, an interphase of defragilization can be formed on the fibers of the preform (step 20).
De façon connue, un traitement de surface des fibres préalablement à la formation de l'interphase est de préférence réalisé pour éliminer l’ensimage et une couche superficielle d’oxyde tel que de la silice S1O2 présents sur les fibres. L'interphase peut être formée par CVI. L'interphase peut être monocouche ou multicouches. In known manner, a surface treatment of the fibers prior to the formation of the interphase is preferably carried out to remove the size and a surface layer of oxide such as silica S1O2 present on the fibers. The interphase can be formed by CVI. The interphase can be monolayer or multilayer.
L'interphase peut comporter une ou plusieurs couches de carbone pyrolytique (PyC), de nitrure de bore (BN), ou de carbone dopé au bore, noté BC (le carbone dopé au bore présentant une teneur atomique en bore comprise entre 5% et 20%, le reste étant du carbone). L’épaisseur de l’interphase peut être supérieure ou égale à 10 nm et par exemple être comprise entre 10 nm et 1000 nm. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque l'interphase est formée sur les fibres avant formation de la préforme. The interphase can comprise one or more layers of pyrolytic carbon (PyC), of boron nitride (BN), or of carbon doped with boron, noted BC (the carbon doped with boron having an atomic boron content of between 5% and 20%, the rest being carbon). The thickness of the interphase can be greater than or equal to 10 nm and for example be between 10 nm and 1000 nm. Of course, it is not outside the scope of the invention when the interphase is formed on the fibers before formation of the preform.
Une phase de consolidation comprenant du carbure de silicium peut ensuite être formée dans la porosité de la préforme fibreuse de manière connue en soi (étape 30). La phase de consolidation peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur. La phase de consolidation peut comprendre du carbure de silicium, et par exemple comprendre uniquement du carbure de silicium. En variante, la phase de consolidation peut comporter, en plus du carbure de silicium, un matériau auto cicatrisant. On peut choisir un matériau autocicatrisant contenant du bore, par exemple un système ternaire Si-B-C ou du carbure de bore B4C capable de former, en présence d'oxygène, un verre de type borosilicate ayant des propriétés A consolidation phase comprising silicon carbide can then be formed in the porosity of the fiber preform in a manner known per se (step 30). The consolidation phase can be formed by chemical vapor infiltration. The consolidation phase can comprise silicon carbide, and for example comprise only silicon carbide. As a variant, the consolidation phase may comprise, in addition to the silicon carbide, a self-healing material. It is possible to choose a self-healing material containing boron, for example a ternary Si-BC system or boron carbide B 4 C capable of forming, in the presence of oxygen, a borosilicate type glass having properties.
autocicatrisantes. L'épaisseur du dépôt de la phase de consolidation peut être supérieure ou égale à 500 nm, par exemple comprise entre 1 pm et 30 pm. La couche externe de la phase de consolidation (la plus éloignée des fibres) est avantageusement en carbure de silicium afin de constituer une barrière de réaction entre les fibres sous-jacentes et la composition de silicium fondue introduite ultérieurement. self-healing. The thickness of the deposit of the consolidation phase may be greater than or equal to 500 nm, for example between 1 μm and 30 μm. The outer layer of the consolidation phase (furthest from the fibers) is advantageously made of silicon carbide in order to constitute a reaction barrier between the underlying fibers and the molten silicon composition introduced subsequently.
L'épaisseur de la phase de consolidation est suffisante pour consolider la préforme fibreuse, c'est-à-dire pour lier entre elles les fibres de la préforme de façon suffisante pour que la préforme puisse être manipulée en conservant sa forme sans assistance d'outillage de maintien. Après cette consolidation, la préforme reste poreuse, la porosité initiale n'étant par exemple comblée que pour une partie minoritaire par l'interphase et la phase de consolidation. The thickness of the consolidation phase is sufficient to consolidate the fiber preform, that is to say to bind the fibers of the preform together sufficiently so that the preform can be handled while retaining its shape without assistance. maintenance tools. After this consolidation, the preform remains porous, the initial porosity for example only being filled for a minority part by the interphase and the consolidation phase.
La poudre de grains enrobés de carbure de silicium est ensuite introduite dans la porosité de la préforme fibreuse consolidée (étape 40). Pour ce faire, la préforme consolidée est imprégnée par une barbotine contenant la poudre en suspension dans un milieu liquide, par exemple de l'eau, un dispersant et une base. La poudre peut être retenue dans la préforme par filtration ou par décantation éventuellement avec l'aide d'une pression et/ou d'une dépression. On utilise de préférence une poudre formée de grains de dimension moyenne (D50) inférieure ou égale à 5 pm, voire inférieure ou égale à 1 pm. La poudre peut typiquement remplir de 40% à 65%, par exemple de 45% à 55%, de la porosité restant dans le matériau après l'étape de consolidation. A titre illustratif, cela peut représenter de 12% à 25% de la porosité initiale de la préforme fibreuse. The powder of grains coated with silicon carbide is then introduced into the porosity of the consolidated fiber preform (step 40). To do this, the consolidated preform is impregnated with a slip containing the powder suspended in a liquid medium, for example water, a dispersant and a base. The powder can be retained in the preform by filtration or by settling optionally with the aid of pressure and / or vacuum. Use is preferably made of a powder formed of grains of average size (D50) less than or equal to 5 μm, or even less than or equal to 1 μm. The powder can typically fill 40% to 65%, for example 45% to 55%, of the porosity remaining in the material after the consolidation step. By way of illustration, this may represent from 12% to 25% of the initial porosity of the fiber preform.
La poudre mise en œuvre est formée par une pluralité de grains 100 tel qu'illustrés à la figure 2. Les grains 100 comprennent chacun un noyau 102, ou cœur, en carbone ou en carbone dopé au bore. Comme dans le cas de l'interphase plus haut, le carbone dopé au bore présente une teneur atomique en bore comprise entre 5% et 20%, le reste étant du carbone. Les grains 100 comprennent chacun en outre un revêtement 104 de carbure de silicium encapsulant le noyau 102. Le revêtement 104 forme une couche continue de carbure de silicium autour du noyau 102. Le revêtement 104 est au contact du noyau 102. Le revêtement 104 définit la surface externe SI du grain 100. L'épaisseur e du revêtement 104 et la taille t du grain 100 sont en outre schématisées sur la figure 2. Le revêtement de carbure de silicium des grains peut présenter une teneur atomique en silicium comprise entre 45% et 55% et une teneur atomique en carbone comprise entre 45% et 55% en complément à 100%. The powder used is formed by a plurality of grains 100 as illustrated in FIG. 2. The grains 100 each comprise a core 102, or heart, made of carbon. or carbon doped with boron. As in the case of the above interphase, the boron-doped carbon has an atomic boron content of between 5% and 20%, the remainder being carbon. The grains 100 each further include a coating 104 of silicon carbide encapsulating the core 102. The coating 104 forms a continuous layer of silicon carbide around the core 102. The coating 104 contacts the core 102. The coating 104 defines the core. external surface SI of grain 100. The thickness e of the coating 104 and the size t of grain 100 are also shown diagrammatically in FIG. 2. The silicon carbide coating of the grains may have an atomic silicon content of between 45% and 55% and an atomic carbon content of between 45% and 55% in addition to 100%.
Le revêtement des grains peut présenter une taille moyenne de cristallites de carbure de silicium inférieure ou égale à 40 nanomètres, par exemple inférieure ou égale à 20 nanomètres, par exemple inférieure ou égale à 15 nanomètres, voire inférieure ou égale à 10 nanomètres. La taille moyenne de cristallites de carbure de silicium dans le revêtement 104 peut être supérieure ou égale à 3 nanomètres, par exemple supérieure ou égale à 5 nanomètres, et par exemple être comprise entre 3 nanomètres et 40 nanomètres, par exemple comprise entre 3 nanomètres et 20 nanomètres. Cette taille moyenne des cristallites de carbure de silicium peut être comprise entre 5 nanomètres et 40 nanomètres, par exemple comprise entre 5 nanomètres et 20 nanomètres. The coating of the grains may have an average size of silicon carbide crystallites less than or equal to 40 nanometers, for example less than or equal to 20 nanometers, for example less than or equal to 15 nanometers, or even less than or equal to 10 nanometers. The average size of silicon carbide crystallites in the coating 104 may be greater than or equal to 3 nanometers, for example greater than or equal to 5 nanometers, and for example be between 3 nanometers and 40 nanometers, for example between 3 nanometers and 20 nanometers. This average size of the silicon carbide crystallites can be between 5 nanometers and 40 nanometers, for example between 5 nanometers and 20 nanometers.
L'épaisseur e moyenne du revêtement 104 des grains peut par exemple être inférieure ou égale à 150 nm, par exemple inférieure ou égale à 100 nm, par exemple inférieure ou égale à 50 nm. L'épaisseur e moyenne du revêtement 104 des grains peut par exemple être supérieure ou égale à 1 nm, par exemple supérieure ou égale à 5 nm. L'épaisseur e moyenne du revêtement 104 des grains peut être comprise entre 1 nm et 150 nm, par exemple comprise entre 1 nm et 100 nm, par exemple comprise entre 1 nm et 50 nm. L'épaisseur e moyenne du revêtement 104 des grains peut être comprise entre 5 nm et 150 nm, par exemple comprise entre 5 nm et 100 nm, par exemple comprise entre 5 nm et 50 nm. On vient de décrire différentes caractéristiques qui peuvent être vérifiées par les grains 100 de la poudre. On va maintenant fournir des détails sur la fabrication de ces grains 100. The average thickness e of the coating 104 of the grains may for example be less than or equal to 150 nm, for example less than or equal to 100 nm, for example less than or equal to 50 nm. The average thickness e of the coating 104 of the grains may for example be greater than or equal to 1 nm, for example greater than or equal to 5 nm. The average thickness e of the coating 104 of the grains may be between 1 nm and 150 nm, for example between 1 nm and 100 nm, for example between 1 nm and 50 nm. The average thickness e of the coating 104 of the grains may be between 5 nm and 150 nm, for example between 5 nm and 100 nm, for example between 5 nm and 50 nm. We have just described various characteristics which can be verified by the grains 100 of the powder. We will now provide details on the manufacture of these 100 grains.
Les grains formant de la poudre peuvent être formés par traitement d'une poudre de carbone, ou de carbone dopé au bore, par dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Déposition » ; « CVD ») de carbure de silicium en lit fluidisé. Selon les conditions opératoires mises en œuvre, on peut contrôler la stoechiométrie et la taille moyenne des cristallites. La durée du dépôt permet quant à elle d'ajuster l'épaisseur du revêtement - plus la durée est importante plus l'épaisseur du revêtement est importante. The grains forming the powder can be formed by treating a powder of carbon, or of carbon doped with boron, by chemical vapor deposition (“Chemical Vapor Deposition”; “CVD”) of silicon carbide in a fluidized bed. Depending on the operating conditions used, the stoichiometry and the average size of the crystallites can be controlled. The duration of the deposition makes it possible to adjust the thickness of the coating - the longer the time, the greater the thickness of the coating.
Selon un exemple, 10 grammes d'une poudre de grains de carbone a pu être revêtue de la manière suivante. Les grains de poudre de carbone avaient une taille moyenne comprise entre 1 pm et 3 pm. La poudre de carbone a été placée dans un réacteur de diamètre 50 mm et de hauteur 1000 mm. According to one example, 10 grams of a carbon grain powder could be coated in the following manner. The carbon powder grains had an average size of between 1 µm and 3 µm. The carbon powder was placed in a reactor with a diameter of 50 mm and a height of 1000 mm.
Les caractéristiques de la phase gazeuse mise en œuvre étaient les suivantes, la phase gazeuse comprenait un mélange d'argon (gaz porteur), de MTS et The characteristics of the gas phase implemented were as follows, the gas phase included a mixture of argon (carrier gas), MTS and
d'hydrogène : of hydrogen:
-gaz porteur argon : débit de 1000 à 4000 centimètres cubes standard par minute préférentiellement 2000 centimètres cubes standard par minute, - argon carrier gas: flow rate of 1000 to 4000 standard cubic centimeters per minute, preferably 2000 standard cubic centimeters per minute,
-gaz MTS (méthyltrichlorosilane) : débit de 100 à 200 centimètres cubes standard par minute, préférentiellement de 150 centimètres cubes standard par minute, MTS gas (methyltrichlorosilane): flow rate of 100 to 200 standard cubic centimeters per minute, preferably 150 standard cubic centimeters per minute,
-gaz hydrogène : débit de 600 à 1000 centimètres cubes standard par minute, préférentiellement de 800 centimètres cubes standard par minute. - hydrogen gas: flow rate of 600 to 1000 standard cubic centimeters per minute, preferably 800 standard cubic centimeters per minute.
La température de dépôt était comprise entre 900°C et 1000°C, préférentiellement de 950°C. La pression dans le réacteur était comprise entre 300 et 600 millibars, préférentiellement de 450 millibars. L'épaisseur déposée est fonction de la durée du traitement. A titre d'exemple, une durée d'une heure a permis de déposer une épaisseur d'environ 100 nanomètres. The deposition temperature was between 900 ° C and 1000 ° C, preferably 950 ° C. The pressure in the reactor was between 300 and 600 millibars, preferably 450 millibars. The deposited thickness depends on the duration of the treatment. By way of example, a duration of one hour made it possible to deposit a thickness of about 100 nanometers.
On peut à la place du procédé en lit fluidisé mettre en œuvre une technique voie liquide pour former le revêtement de carbure de silicium. Selon cette technique, une poudre de carbone ou de carbone dopé au bore est tout d'abord dispersée dans une phase liquide comprenant un solvant contenant éventuellement un surfactant. Le solvant peut être polaire ou non-polaire. Le solvant peut par exemple comporter au moins un alcool, tel que l'éthanol, le 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, un mélange de ces composés. Le surfactant peut être anionique, cationique ou non- ionique. Le surfactant peut par exemple comporter l'un au moins de : la Instead of the fluidized bed process, it is possible to employ a liquid route technique to form the coating of silicon carbide. According to this technique, a carbon or carbon powder doped with boron is first of all dispersed in a liquid phase comprising a solvent optionally containing a surfactant. The solvent can be polar or non-polar. The solvent may for example comprise at least one alcohol, such as ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, a mixture of these compounds. The surfactant can be anionic, cationic or nonionic. The surfactant may for example comprise at least one of:
polyvinylpyrrolidone (PVP), le polyvinylalcool (PVA), le polyéthylène oxyde (PEO), le polypropylène oxyde (PPO), ou les composés à base de diol acétylénique. Un précurseur contenant du silicium est ensuite ajouté au solvant dans lequel la poudre a été dispersée. On peut par exemple utiliser de l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) en tant que précurseur. On réalise ensuite un traitement thermique permettant de sécher la poudre et de former un revêtement de silice à la surface des noyaux de carbone ou de carbone dopé au bore. Le revêtement de carbure de silicium est alors obtenu par traitement de carburation du revêtement de silice en le soumettant à une atmosphère contenant du carbone. On pourrait en variante réaliser un traitement à haute température pour former le revêtement de carbure de silicium par réaction entre la silice et le carbone de la poudre. polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), or compounds based on acetylene diol. A precursor containing silicon is then added to the solvent in which the powder has been dispersed. For example, tetraethyl orthosilicate (TEOS) can be used as a precursor. A heat treatment is then carried out making it possible to dry the powder and to form a silica coating on the surface of the carbon or boron-doped carbon cores. The silicon carbide coating is then obtained by carburizing the silica coating by subjecting it to an atmosphere containing carbon. As a variant, a high temperature treatment could be carried out to form the coating of silicon carbide by reaction between the silica and the carbon of the powder.
Une fois la poudre introduite dans la préforme et avant infiltration par la composition fondue, on peut réaliser un traitement thermique de désoxydation de la poudre. Ce traitement thermique de désoxydation peut être réalisé sous pression réduite. Le traitement thermique de désoxydation peut être réalisé à une température comprise entre 1250°C et 1400°C. La poudre de silicium ou d'alliage de silicium destinée à former la composition fondue peut aussi être soumise à ce traitement thermique de désoxydation. Once the powder has been introduced into the preform and before infiltration by the molten composition, a heat treatment of deoxidation of the powder can be carried out. This deoxidation heat treatment can be carried out under reduced pressure. The deoxidation heat treatment can be carried out at a temperature between 1250 ° C and 1400 ° C. The silicon or silicon alloy powder intended to form the molten composition can also be subjected to this heat deoxidation treatment.
On réalise ensuite l'infiltration de la préforme fibreuse par la composition fondue à la première température (étape 50 à la figure 1). Comme indiqué plus haut, la composition fondue comprend majoritairement en masse du silicium fondu. Cette composition peut correspondre à du silicium fondu seul ou un alliage de silicium à l'état fondu lequel contient en outre un ou plusieurs autres éléments tels que du titane, du molybdène, du bore, du fer ou du niobium. La teneur massique en silicium dans la composition fondue peut être supérieure ou égale à 75%, par exemple à 90%. La préforme contenant la poudre est alors totalement imprégnée par la composition fondue après l'infiltration. La composition fondue infiltre la porosité de la préforme fibreuse et vient autour des grains de la poudre. Comme évoqué plus haut, l'infiltration est réalisée à une première température qui est suffisante pour faire fondre la composition fondue mais qui n'est pas trop élevée pour éviter une réaction entre le silicium de la composition fondue et le carbone des grains de la poudre et ainsi éviter tout risque de bouchage prématuré de la porosité. La première température est choisie en fonction des caractéristiques du revêtement 104 de carbure de silicium des grains 100 comme indiqué plus haut. La première The fiber preform is then infiltrated by the composition melted at the first temperature (step 50 in FIG. 1). As indicated above, the molten composition mainly comprises molten silicon by mass. This composition may correspond to molten silicon alone or to a silicon alloy in the molten state which further contains one or more other elements such as titanium, molybdenum, boron, iron or niobium. The silicon content by mass in the molten composition can be greater than or equal to 75%, for example 90%. The preform containing the powder is then completely impregnated with the molten composition after infiltration. The molten composition infiltrates the porosity of the fiber preform and comes around the grains of the powder. As mentioned above, the infiltration is carried out at a first temperature which is sufficient to melt the molten composition but which is not too high to avoid a reaction between the silicon of the molten composition and the carbon of the grains of the powder. and thus avoid any risk of premature clogging of the porosity. The first temperature is chosen as a function of the characteristics of the coating 104 of silicon carbide grains 100 as indicated above. The first one
température peut être inférieure ou égale à 1450°C, par exemple inférieure ou égale à 1440°C, voire inférieure ou égale à 1430°C. temperature may be less than or equal to 1450 ° C, for example less than or equal to 1440 ° C, or even less than or equal to 1430 ° C.
Une fois l'infiltration de la préforme terminée, une étape de montée en température est ensuite réalisée de sorte à permettre la réaction chimique du silicium de la composition fondue avec le noyau carboné des grains de la poudre (étape 60 à la figure 1). Comme indiqué plus haut, la température est alors augmentée de sorte à fissurer ou décomposer le revêtement 104 de carbure de silicium des grains 100 et permettre la mise en contact du silicium de la composition fondue avec le noyau carboné des grains. La deuxième température dépend aussi des caractéristiques du revêtement 104 de carbure de silicium employé mais peut toutefois demeurer inférieure ou égale à 1550°C. La deuxième température peut être d'au moins 10°C supérieure à la première température. Once the infiltration of the preform is completed, a temperature rise step is then carried out so as to allow the chemical reaction of the silicon of the molten composition with the carbonaceous core of the grains of the powder (step 60 in FIG. 1). As indicated above, the temperature is then increased so as to crack or decompose the coating 104 of silicon carbide of the grains 100 and allow the silicon of the molten composition to come into contact with the carbonaceous core of the grains. The second temperature also depends on the characteristics of the coating 104 of silicon carbide employed but may however remain less than or equal to 1550 ° C. The second temperature can be at least 10 ° C higher than the first temperature.
La durée pendant laquelle la préforme infiltrée est soumise à la deuxième The time during which the infiltrated preform is subjected to the second
température peut être supérieure ou égale à 10 minutes, par exemple supérieure ou égale à 30 minutes. Cette durée peut être inférieure ou égale à 90 minutes. Cette durée peut par exemple être comprise entre 10 minutes et 90 minutes, par exemple entre 30 minutes et 90 minutes. temperature may be greater than or equal to 10 minutes, for example greater than or equal to 30 minutes. This duration may be less than or equal to 90 minutes. This duration can for example be between 10 minutes and 90 minutes, for example between 30 minutes and 90 minutes.
On a représenté à la figure 3 dans un diagramme temps-température, une succession d'étapes qui peut être mise en œuvre dans le cadre de l'invention. Une fois la préforme chargée de la poudre, on peut d'abord réaliser une étape de désoxydation de la poudre (étape E0) à une température T0 telle que décrite plus haut. On peut ensuite augmenter la température jusqu'à un palier à la première température Tl telle que décrite plus haut et réaliser, à cette première température Tl, l'infiltration de la préforme par la composition fondue (étape El). Une fois l'infiltration terminée, on peut ensuite à nouveau augmenter la température jusqu'à un palier à la deuxième température T2 telle que décrite plus haut et réaliser, à cette deuxième température 12, la réaction entre le silicium de la composition fondue et le carbone des grains (étape E2). There is shown in Figure 3 in a time-temperature diagram, a succession of steps that can be implemented in the context of the invention. Once the preform has been loaded with the powder, it is first possible to carry out a powder deoxidation step (step E0) at a temperature T0 as described above. It is then possible to increase the temperature to a plateau at the first temperature T1 as described above and to carry out, at this first temperature T1, the infiltration of the preform by the molten composition (step E1). Once the infiltration is complete, the temperature can then be increased again to a plateau at the second temperature T2 as described above and carrying out, at this second temperature 12, the reaction between the silicon of the molten composition and the carbon of the grains (step E2).
En lien avec l'exemple illustré à la figure 1, on a ainsi décrit un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique qui comporte au moins les étapes suivantes : In connection with the example illustrated in FIG. 1, there has thus been described a method of manufacturing a part made of composite material with a ceramic matrix which comprises at least the following steps:
- formation d'une préforme fibreuse, - formation of a fiber preform,
- introduction de la poudre dans la porosité de la préforme fibreuse, et - introduction of the powder into the porosity of the fiber preform, and
- infiltration de la préforme fibreuse chargée par la poudre avec une composition fondue comprenant majoritairement en masse du silicium, une matrice de carbure de silicium étant formée dans la porosité de la préforme fibreuse durant l'infiltration afin d'obtenir la pièce en matériau composite. infiltration of the fiber preform loaded by the powder with a molten composition comprising mainly silicon by mass, a silicon carbide matrix being formed in the porosity of the fiber preform during infiltration in order to obtain the part made of composite material.
Une interphase et/ou une phase de consolidation peuvent être formées sur les fibres après formation de la préforme et avant introduction de la poudre comme évoqué plus haut. An interphase and / or a consolidation phase can be formed on the fibers after formation of the preform and before introduction of the powder as mentioned above.
En variante, le procédé de fabrication de la pièce peut comporter au moins les étapes suivantes : As a variant, the method for manufacturing the part may include at least the following steps:
- formation d'une préforme fibreuse par assemblage d'une pluralité de textures fibreuses, la poudre étant présente dans la porosité desdites textures, et - Forming a fiber preform by assembling a plurality of fiber textures, the powder being present in the porosity of said textures, and
- infiltration de la préforme fibreuse ainsi obtenue avec une composition fondue comprenant majoritairement en masse du silicium, une matrice en carbure de silicium étant formée dans la porosité de la préforme fibreuse durant l'infiltration afin d'obtenir la pièce en matériau composite. infiltration of the fiber preform thus obtained with a molten composition comprising mainly silicon by mass, a silicon carbide matrix being formed in the porosity of the fiber preform during infiltration in order to obtain the part made of composite material.
Les expressions « compris(e) entre ... et ... » et « de ... à ... » doivent se The expressions "between ... and ..." and "from ... to ..." must be
comprendre comme incluant les bornes. understand as including the limits.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice de carbure de silicium, comprenant au moins : [Claim 1] A method of manufacturing a part made of composite material with a silicon carbide matrix, comprising at least:
- l'infiltration (50) d'une préforme fibreuse avec une composition fondue comprenant majoritairement en masse du silicium, une première température (Tl) étant imposée durant l'infiltration et une poudre étant présente dans la porosité de ladite préforme, ladite poudre comprenant des grains (100) formés d'un noyau (102) de carbone ou de carbone dopé au bore enrobé par un revêtement (104) de carbure de silicium, ladite première température étant suffisamment faible pour éviter la réaction de la composition fondue avec le noyau des grains de la poudre, et - the infiltration (50) of a fiber preform with a molten composition comprising mainly silicon by mass, a first temperature (Tl) being imposed during the infiltration and a powder being present in the porosity of said preform, said powder comprising grains (100) formed of a core (102) of carbon or boron doped carbon coated with a coating (104) of silicon carbide, said first temperature being sufficiently low to prevent the reaction of the molten composition with the core grains of the powder, and
- la soumission de la préforme ainsi infiltrée à une deuxième température (T2) supérieure à la première température et suffisante pour permettre la réaction de la composition fondue avec le noyau des grains de la poudre et former ainsi du carbure de silicium (60). - Submitting the preform thus infiltrated to a second temperature (T2) higher than the first temperature and sufficient to allow the reaction of the molten composition with the core of the grains of the powder and thus form silicon carbide (60).
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel les grains (100) de la poudre présentent un revêtement (104) de carbure de silicium ayant : [Claim 2] The method of claim 1, wherein the grains (100) of the powder have a coating (104) of silicon carbide having:
- une composition stoechiométrique avec une teneur atomique en silicium de 50% et une teneur atomique en carbone de 50%, - a stoichiometric composition with an atomic silicon content of 50% and an atomic carbon content of 50%,
- une épaisseur (e) moyenne comprise entre 20 nm et 100 nm, et - an average thickness (e) between 20 nm and 100 nm, and
- une taille moyenne de cristallites de carbure de silicium comprise entre 8 nm et 20 nm, - an average size of silicon carbide crystallites of between 8 nm and 20 nm,
et dans lequel la première température est inférieure ou égale à 1450°C, et la deuxième température supérieure ou égale à 1460°C. and wherein the first temperature is less than or equal to 1450 ° C, and the second temperature is greater than or equal to 1460 ° C.
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 1, dans lequel les grains (100) de la poudre présentent un revêtement (104) de carbure de silicium ayant : [Claim 3] A method according to claim 1, wherein the grains (100) of the powder have a coating (104) of silicon carbide having:
- une composition quasi-stoechiométrique avec une teneur atomique en silicium différente de 50% et comprise entre 49% et 51% et une teneur atomique en carbone différente de 50% et comprise entre 51% et 49%, - a quasi-stoichiometric composition with an atomic silicon content different from 50% and between 49% and 51% and an atomic carbon content different from 50% and between 51% and 49%,
- une épaisseur moyenne comprise entre 30 nm et 120 nm, et - an average thickness between 30 nm and 120 nm, and
- une taille moyenne de cristallites de carbure de silicium comprise entre 5 nm et 15 nm, et la première température est inférieure ou égale à 1440°C, et la deuxième température supérieure ou égale à 1450°C. - an average size of silicon carbide crystallites of between 5 nm and 15 nm, and the first temperature is less than or equal to 1440 ° C, and the second temperature greater than or equal to 1450 ° C.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 1, dans lequel les grains (100) de la poudre présentent un revêtement (104) de carbure de silicium ayant : [Claim 4] The method of claim 1, wherein the grains (100) of the powder have a coating (104) of silicon carbide having:
- une composition non-stoechiométrique avec une teneur atomique en silicium comprise entre 45% et 49% ou entre 51% et 55%, et une teneur atomique en carbone comprise entre 51% et 55% ou entre 45% et 49%, - a non-stoichiometric composition with an atomic silicon content of between 45% and 49% or between 51% and 55%, and an atomic carbon content of between 51% and 55% or between 45% and 49%,
- une épaisseur (e) moyenne comprise entre 40 nm et 150 nm, et - an average thickness (e) between 40 nm and 150 nm, and
- une taille moyenne de cristallites de carbure de silicium comprise entre 3 nm et 10 nm, - an average size of silicon carbide crystallites of between 3 nm and 10 nm,
et dans lequel la première température est inférieure ou égale à 1430°C, et la deuxième température supérieure ou égale à 1440°C. and wherein the first temperature is less than or equal to 1430 ° C, and the second temperature is greater than or equal to 1440 ° C.
[Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la préforme fibreuse comprend des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. [Claim 5] A method according to any one of claims 1 to 4, wherein the fiber preform comprises silicon carbide fibers having an oxygen content of less than or equal to 1% atomic percent.
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