WO2022090655A1 - Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique Download PDF

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Arnaud DELEHOUZE
Eric Bouillon
Emilie PERRET
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Safran Ceramics
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5436—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof micrometer sized, i.e. from 1 to 100 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/666—Applying a current during sintering, e.g. plasma sintering [SPS], electrical resistance heating or pulse electric current sintering [PECS]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • C04B2235/9615—Linear firing shrinkage

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of parts made of composite material, and more particularly parts made of composite material with a ceramic matrix (parts made of CMC material).
  • CMC materials known for their good mechanical properties which make them suitable for constituting structural elements and for maintaining these properties at high temperatures, constitute a viable alternative to traditional metal parts. Their reduced mass compared to their metallic equivalent makes them the parts of choice to meet the problems of increasing efficiency and reducing polluting emissions from engines in the aeronautical field.
  • Parts made of CMC material can comprise a continuous fibrous reinforcement in the form of a woven textile, which is densified by a ceramic matrix.
  • the fibrous reinforcement thus comprises long continuous fibers, the orientation of which can be adapted to the main directions of stress on the part during its use.
  • the preform intended to form the fibrous reinforcement is woven from continuous fibers to the dimensions of the piece using a suitable loom.
  • the weaving step is a long and expensive process, and it is not optimal for making small parts or parts with complex geometry.
  • a molten composition for example based on silicon
  • a molten composition can be introduced into the pores of a fibrous structure comprising particles of silicon carbide in order to form a ceramic matrix which densifies the fibrous structure. It is desirable in this technique that the molten composition penetrates homogeneously and completely within the porosity of the fibrous structure, so that the part obtained has a porosity minimal residual and therefore optimized mechanical properties.
  • some of the melt infiltration techniques do not give entirely satisfactory results insofar as the degree of advance of the molten composition into the porosity may be limited, leading to uneven penetration into the fibrous structure.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a part made of composite material with a ceramic matrix, comprising at least:
  • the powder composition comprising:
  • thermochemical reaction in the solid state between the carbon of the powdery composition and the silicon or the metallic element of the reactive surface of the second particles in order to form the ceramic matrix there is thermochemical reaction in the solid state between the carbon of the powdery composition and the silicon or the metallic element of the reactive surface of the second particles in order to form the ceramic matrix .
  • the invention proposes to densify the part by chemical reaction in the solid state, without melting the reactive surface of the second particles, while the debinded blank is compressed during hot pressing.
  • a temperature is imposed below the melting point of the reactive surface but sufficient to activate the chemical reaction between the silicon or the metallic element of this reactive surface and the carbon of the powdery composition.
  • a homogeneous densification of the part is thus obtained due to a reduction in the porosity and the elimination of the phenomenon of clogging ("choking off") which can be encountered in techniques of infiltration in the reactive molten state of the prior art.
  • the phenomenon of the rise of the molten metal is also avoided.
  • the invention makes it possible to keep a reduced number of steps by dispensing in particular with carrying out a step of deoxidizing the fillers present, before infiltration by a molten composition, useful for facilitating the capillary rise of this one.
  • the invention further proposes the use of a particulate reinforcement, simplifying manufacture compared to a woven fibrous reinforcement and allowing easier access to small parts or parts of complex geometry.
  • the carbon of the pulverulent composition reacting with the silicon or the metallic element can be provided in various ways as will now be described.
  • the first particles comprise a core coated with a coating comprising at least one carbon surface layer, the carbon of this surface layer reacting with the silicon or the metallic element during the hot pressing.
  • the first particles comprise a core coated with a coating comprising at least one surface layer of silicon carbide and an intermediate layer of carbon located between the surface layer and the core, the carbon of the intermediate layer reacting with the silicon or metal part during hot pressing.
  • the surface layer can be sacrificial in order to allow the underlying carbon to react with the silicon or the metallic element.
  • the surface layer of silicon carbide slows down the diffusion of the silicon but allows the chemical reaction with the carbon of the intermediate layer.
  • the two variants which have just been described relate to a supply of carbon by the first particles but other solutions can be envisaged which can optionally be combined with each other or with what has just been described.
  • the second particles further comprise a carbon region coated by the reactive surface, the carbon of this region reacting with the silicon or the metallic element during the hot pressing.
  • the pulverulent composition further comprises third carbon particles, distinct from the first and second particles, reacting with the silicon or the metallic element during the hot pressing.
  • the reactive surface of the second particles is formed by silicon or a silicon alloy.
  • the process makes it possible to reduce the rate of free silicon in the final part compared to a conventional molten silicon infiltration, thus improving the creep resistance at high temperature.
  • the reactive surface of the second particles is formed by a transition metal or an alloy of the transition metal.
  • the transition metal can be zirconium or titanium.
  • the first particles comprise a core coated by an interphase.
  • the first particles are short fibers having an average length of between 50 ⁇ m and 5000 ⁇ m.
  • An average dimension designates the dimension given by the statistical particle size distribution to half of the population, called D50.
  • the first particles may be in the form of grains rather than short fibers.
  • the first particles can thus have a spherical or ellipsoidal shape.
  • the average size (D50) of the first particles can be between 10 ⁇ m and 300 ⁇ m, for example between 40 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the first particles comprise silicon carbide, for example a core of silicon carbide coated with a coating as described above.
  • the pulverulent composition can comprise an inert filler of silicon carbide. In the case of a reactive surface comprising silicon, this makes it possible to obtain an SiC-Si ceramic matrix after the hot pressing.
  • a temperature imposed during the hot pressing is between 1150°C and 1300°C, for example between 1200°C and 1300°C, for example between 1200°C and 1250°C.
  • Such a feature allows rapid activation of the solid state chemical reaction during hot pressing.
  • a pressure imposed during the hot pressing is greater than or equal to 50 MPa, for example between 50 MPa and 75 MPa.
  • Such a feature participates in further improving the homogeneity of the densification of the part.
  • the volume content of powder composition in the blank is between 45% and 85% and the volume content of binder in the blank is between 15% and 55%, and the powder composition comprises:
  • the first particles in a content by volume in the pulverulent composition of between 10% and 50%, for example between 15% and 35%,
  • the second particles alone or in combination with an inert filler optionally present, in a content by volume in the pulverulent composition of between 50% and 90%, for example between 65% and 85%, and
  • FIG. 1 Figure 1 is a flowchart of an example of a method according to the invention.
  • FIG. 2 schematically represents an example of structure for the first particles that can be implemented within the scope of the invention.
  • FIG. 3 schematically represents an alternative structure for the first particles that can be implemented within the scope of the invention.
  • FIG. 4 schematically represents an example of a structure for the second particles that can be implemented within the scope of the invention.
  • the method may first of all comprise a step for obtaining the first particles and second particles (step E1 in FIG. 1).
  • FIG. 2 illustrates an example of a possible structure for the first particles 10.
  • the first particles 10 can comprise a core 12 coated with a coating 14 (“core-shell” structure or “heart-shell” in French).
  • the cores 12 of the first particles 10 can be intended to form the reinforcement of the part to be obtained.
  • the core 12 is a short fiber which can be obtained by grinding or mechanical cutting of long fibers, in a manner known per se.
  • the core 12 can be ceramic, for example silicon carbide. Core 12 may have an average length of between 50 ⁇ m and 5000 ⁇ m, or even between 100 ⁇ m and 300 ⁇ m.
  • the core 12 can be made of silicon carbide, having for example an oxygen content less than or equal to 1% in atomic percentage. In this case, the core can be obtained by grinding or cutting commercial Hi-Nicalon type S fibers marketed by the Japanese company NGS.
  • Coating 14 may be multi-layered and include an interphase 16, as shown.
  • the interphase 16 can be in contact with the core 12.
  • the thickness ei of the interphase 16 can for example be between 10 nm and 1000 nm, and for example between 10 nm and 500 nm.
  • the interphase 16 can be monolayer or multilayer. In the example illustrated, the interphase 16 is monolayer.
  • the interphase 16 may comprise at least one layer of pyrolytic carbon (PyC), boron nitride (BN), boron nitride doped with silicon (BN(Si), with silicon in a mass proportion of between 5% and 40%, the balance being boron nitride), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or boron-doped carbon (BC, with boron in an atomic proportion between 5% and 20%, the balance being carbon).
  • the interphase 16 here has a function of weakening the composite material which promotes the deflection of any cracks reaching the interphase after having propagated in the matrix, preventing or delaying the rupture of the reinforcement by such cracks.
  • Coating 14 may further comprise additional layers covering interphase 16. Coating 14 may thus comprise a layer 18 of silicon carbide covering interphase 16. Layer 18 of silicon carbide may be in contact with the interphase 16. Layer 18 may have the function of protecting the interphase during the formation of the matrix.
  • the thickness e 2 of the layer 18 can be greater than or equal to 0.5 ⁇ m, for example greater than or equal to 1 ⁇ m, for example between 0.5 ⁇ m and 5 ⁇ m, for example between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m .
  • Coating 14 may further comprise a surface layer 20 of carbon covering layer 18 of silicon carbide. Surface layer 20 can be in contact with layer 18. Thickness e 3 of surface layer 20 can be greater than or equal to 100 nm, for example between 100 nm and 2 ⁇ m.
  • the thickness e 3 of the surface layer 20 can be less than or equal to 2 ⁇ m.
  • the external surface S of the first particles 10 is made of carbon which is intended to react with the silicon or the metallic element during the hot pressing in order to form a ceramic matrix.
  • FIG. 3 represents a variant structure for the first particles 100 which this time no longer comprises a surface layer of carbon but a surface layer 220 of silicon carbide.
  • the first particles 100 thus comprise a core 12 coated with a coating 140 which has the same structure as the coating 14 illustrated in FIG. 2 with in addition a surface layer 220 of silicon carbide covering the carbon layer 20.
  • the silicon carbide surface silicon 220 can allow diffusion of the silicon or metallic element to react with the underlying carbon 20 during hot pressing.
  • the thickness e 4 of the silicon carbide surface layer 220 can be less than or equal to 1 ⁇ m, for example less than or equal to 500 nm.
  • the thickness e 4 can be between 100 nm and 1 ⁇ m, for example between 100 nm and 500 nm.
  • the coating 14 or 140 can be formed directly on the core 12 or, alternatively, on long fiber before cutting and grinding.
  • the coating 14 or 140 can be formed by chemical vapor deposition by scrolling a long fiber in an enclosure, or for example by chemical vapor deposition in a fluidized bed if it is desired to directly coat the core 12.
  • first particles 10 and 100 in connection with FIGS. 2 and 3.
  • the invention is not limited to such structures and other variants not illustrated are possible. It is possible in particular to use first particles having the structure according to FIG. 2 but by swapping the layers 20 and 18, in which case the surface layer is made of silicon carbide and allows the diffusion of the silicon or of the metallic element to react with the underlying carbon during the hot pressing as in the case of FIG. 3.
  • the coating comprises fewer layers than in FIGS. 2 and 3.
  • the coating of the first particles may comprise only the interphase 16 and the surface layer 18 of silicon carbide or even only the interphase 16.
  • the first particles are devoid of a coating and only comprise the core 12.
  • FIG. 4 which will now be described, illustrates an example of a possible structure for the second particles 200 which supply the silicon or the metallic element intended to form the ceramic matrix after reaction with carbon.
  • the second particles 200 have a core-shell structure with a carbon core 202 coated by a layer 204 forming the reactive surface comprising the silicon or the metallic element which is in contact with the core 202.
  • the shape of the second particles 200 can be different from the shape of the first particles 10, 100.
  • the carbon core 202 can react with the silicon or the metallic element in order to participate in the formation of the matrix ceramic during hot pressing.
  • Other variants are possible for the second particles, such as the case of an intermediate carbon layer located between a core and the reactive surface layer comprising the silicon or the metallic element, or the case of an uncoated structure formed only grains of silicon, or of a silicon alloy, or of a metallic element or of an alloy of the metallic element.
  • the metallic element can be a transition metal, such as zirconium or titanium.
  • the first 10, 100 and second 200 particles can be mixed in a binder in order to obtain the composition intended to form the blank (step E2).
  • the binder can be a polymeric binder.
  • the binder can for example comprise a thermoplastic or thermosetting resin.
  • the binder can comprise at least one thermoplastic polymer.
  • the binder may comprise at least one compound chosen from the following: polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG), polypropylene (PP), polyoxymethylene (POM), polyethylene terephthalate (PET).
  • the binder can comprise at least one thermosetting polymer.
  • the binder can comprise at least one compound chosen from the following: epoxy resins, phenolic resins, pre-ceramic resins.
  • the binder can include stearic acid.
  • the mixture obtained or the blank may comprise the pulverulent composition in a content by volume of between 45% and 85% and the binder in a content by volume of between 15% and 55%.
  • the powder composition may include:
  • the first particles 10, 100 in a content by volume in the pulverulent composition of between 10% and 50%, for example between 15% and 35%,
  • the second particles 200 alone or in combination with the inert filler of silicon carbide possibly present, in a volume content in the powder composition between 50% and 90%, for example between 65% and 85%, and
  • the third carbon particles in a volume content in the powder composition of between 1% and 10%.
  • the pulverulent composition comprising the first, second, and optionally the inert filler and/or the third particles, can be dispersed homogeneously in the binder.
  • a mixture comprising a powder composition which comprises:
  • second particles formed of silicon or of a silicon alloy, or having a reactive surface of silicon or of a silicon alloy coating a region of different composition, the second particles being present at a rate of 10% by volume content in the powder composition
  • an inert filler of silicon carbide having an average size of between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m and present at a rate of 75% by volume content in the pulverulent composition.
  • the blank is then formed from the mixture obtained by introduction into a mold (step E3) and removal of the binder, by chemical dissolution or heat or thermochemical treatment (step E4) in order to obtain a debinded blank .
  • the techniques of forming the mixture, of the blank and of debinding are known per se and do not need to be further detailed here.
  • the method continues with a hot pressing step (step E5) during which the debinded blank is compressed under temperature in order to reduce the porosity obtained at the end of the debinding.
  • the debinded blank is densified during which the porosity will gradually reduce and the blank will contract to reach the dimensions of the final part.
  • a temperature lower than the temperature is imposed.
  • the reactive carbon can be provided by the first particles 10,100 and/or by the second particles 200 and/or by the third particles. It will be noted that in the event that a carbonaceous residue from pyrolysis of the binder remains after the debinding, this residue can provide additional reactive carbon reacting with the silicon or the metallic element to participate in the formation of the ceramic matrix.
  • the second particles can be dispersed homogeneously in the debinded parison undergoing the hot pressing.
  • thermochemical reaction resulting in the ceramic matrix can take place simultaneously throughout the debinded blank.
  • Sintering under stress can be carried out during the hot pressing, for example flash sintering (also known by the acronym “SPS”, standing for “Spark Plasma Sintering”).
  • At least one dimension of the debinded parison can be reduced by at least 10%, for example by at least 15%, during hot pressing. At least one dimension of the debinded parison can be reduced by an amount between 15% and 25% during hot pressing. The compaction of the debinded blank is maintained during hot pressing.
  • the temperature imposed during the hot pressing may be between 1150° C. and 1300° C. and the pressure imposed during the hot pressing greater than or equal to 50 MPa, for example between 50 MPa and 75 MPa.
  • the duration of the hot pressing may be greater than or equal to 1 minute, for example 2 minutes.
  • the part may have a reinforcement content by volume of between 10% and 50%, for example between 20% and 40%, and a matrix content by volume of between 50% and 90%, for example between 50% and 70%.
  • the volume ratio of free silicon in the part can be less than or equal to 15%, for example less than or equal to 5%.
  • the densification can be finalized after the hot pressing by introducing a small quantity of metal in the molten state by implementing a conventional technique of infiltration in the molten state.
  • the part obtained can be a turbomachine part, for example an aeronautical turbomachine part.
  • the part can be a gas turbine part of an aero engine or an industrial turbine.
  • the part can constitute at least part of a distributor, a wall of a combustion chamber, a turbine ring sector or a turbine engine blade.

Landscapes

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Abstract

La présente invention concerne la fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique durant lequel une ébauche déliantée est pressée à chaud (E5) pour former la matrice céramique par réaction chimique à l'état solide entre du carbone d'une composition pulvérulente et du silicium ou un élément métallique.

Description

Description
PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE PIÈCE EN MATÉRIAU COMPOSITE À MATRICE CÉRAMIQUE
Domaine Technique
La présente invention se rapport à la fabrication des pièces en matériau composite, et plus particulièrement des pièces en matériau composite à matrice céramique (pièces en matériau CMC).
Technique antérieure
Les matériaux CMC, connus pour leurs bonnes propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structures et pour conserver ces propriétés à températures élevées, constituent une alternative viable aux traditionnelles pièces métalliques. Leur masse réduite par rapport à leur équivalent métallique en font des pièces de choix pour répondre aux problématiques d'augmentation du rendement et de réduction des émissions polluantes des moteurs dans le domaine aéronautique.
Les pièces en matériau CMC peuvent comprendre un renfort fibreux continu sous la forme d'un textile tissé, qui est densifié par une matrice céramique. Le renfort fibreux comprend ainsi des fibres longues continues, dont l'orientation peut être adaptée aux directions principales de sollicitation de la pièce lors de son utilisation. La préforme destinée à former le renfort fibreux est tissée à partir des fibres continues aux dimensions de la pièce à l'aide d'un métier à tisser adapté. L'étape de tissage est un processus long et coûteux, et qui n'est pas optimal pour réaliser des pièces de petite taille ou de géométrie complexe.
En outre, il est connu d'obtenir la matrice de ces pièces en matériau CMC par la technique d'infiltration à l'état fondu. Selon cette technique, on peut introduire une composition fondue, par exemple à base de silicium, dans la porosité d'une structure fibreuse comprenant des particules de carbure de silicium afin de former une matrice céramique densifiant la structure fibreuse. Il est souhaitable dans cette technique que la composition fondue pénètre de manière homogène et complète au sein de la porosité de la structure fibreuse, afin que la pièce obtenue présente une porosité résiduelle minimale et donc des propriétés mécaniques optimisées. Toutefois, certaines des techniques d'infiltration à l'état fondu ne donnent pas des résultats entièrement satisfaisants dans la mesure où le degré d'avancée de la composition fondue dans la porosité peut être limité, conduisant à une pénétration inhomogène dans la structure fibreuse. Ce caractère inhomogène peut être d'autant plus prononcé dans le cadre des techniques d'infiltration à l'état fondu réactive (« Reactive Melt Infiltration ») où des particules de carbone sont présentes dans la structure fibreuse. Dans ce dernier cas, le produit de réaction entre la composition fondue et les particules de carbone peut en effet conduire à un bouchage local de la porosité de la préforme, rendant plus difficile l'avancée de la composition fondue.
Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'une pièce en matériau CMC permettant l'obtention d'une densification homogène et notamment adapté à la fabrication de pièces de petite taille et ayant éventuellement une géométrie complexe.
Exposé de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins :
- le déliantage d'une ébauche de la pièce à obtenir comprenant un liant et une composition pulvérulente comprenant du carbone présente dans le liant, la composition pulvérulente comprenant :
(i) des premières particules de renfort, et
(ii) des deuxièmes particules, distinctes des premières particules, ayant une surface réactive comprenant du silicium ou un élément métallique, et
- le pressage à chaud de l'ébauche déliantée durant lequel il y a réaction thermochimique à l'état solide entre le carbone de la composition pulvérulente et le silicium ou l'élément métallique de la surface réactive des deuxièmes particules afin de former la matrice céramique.
L'invention propose de réaliser une densification de la pièce par réaction chimique à l'état solide, sans fusion de la surface réactive des deuxièmes particules, alors que l'ébauche déliantée est comprimée durant le pressage à chaud. Durant le pressage à chaud, on impose une température inférieure à la température de fusion de la surface réactive mais suffisante pour activer la réaction chimique entre le silicium ou l'élément métallique de cette surface réactive et le carbone de la composition pulvérulente. On obtient ainsi une densification homogène de la pièce du fait d'une réduction de la porosité et de la suppression du phénomène de bouchage (« choking off ») qui peut être rencontré dans des techniques d'infiltration à l'état fondu réactive de l'art antérieur. On évite aussi le phénomène d'ascension du métal fondu. En outre, l'invention permet de conserver un nombre d'étapes réduit en s'affranchissant en particulier de la réalisation d'une étape de désoxydation des charges présentes, avant l'infiltration par une composition fondue, utile pour faciliter la montée capillaire de celle-ci. L'invention propose en outre la mise en oeuvre d'un renfort particulaire, simplifiant la fabrication par rapport à un renfort fibreux tissé et permettant d'accéder plus facilement à des pièces de petite taille ou de géométrie complexe.
Le carbone de la composition pulvérulente réagissant avec le silicium ou l'élément métallique peut être apporté de diverses manières comme il va à présent être décrit. Ainsi, dans un exemple de réalisation, les premières particules comprennent un noyau enrobé par un revêtement comprenant au moins une couche de surface en carbone, le carbone de cette couche de surface réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud.
En variante, les premières particules comprennent un noyau enrobé par un revêtement comprenant au moins une couche de surface en carbure de silicium et une couche intermédiaire en carbone située entre la couche de surface et le noyau, le carbone de la couche intermédiaire réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud. La couche de surface peut être sacrificielle afin de permettre au carbone sous-jacent de réagir avec le silicium ou l'élément métallique.
Dans ce cas, la couche de surface en carbure de silicium ralentit la diffusion du silicium mais permet la réaction chimique avec le carbone de la couche intermédiaire. Les deux variantes qui viennent d'être décrites concernent un apport de carbone par les premières particules mais d'autres solutions sont envisageables lesquelles peuvent éventuellement être combinées entre elles ou à ce qui vient d'être décrit. Dans un exemple de réalisation, les deuxièmes particules comprennent en outre une région en carbone enrobée par la surface réactive, le carbone de cette région réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud.
Dans un exemple de réalisation, la composition pulvérulente comprend en outre des troisièmes particules de carbone, distinctes des premières et deuxièmes particules, réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud.
Dans un exemple de réalisation, la surface réactive des deuxièmes particules est formée par du silicium ou un alliage de silicium.
Dans ce cas, le procédé permet de diminuer le taux de silicium libre dans la pièce finale par rapport à une infiltration de silicium fondu classique, améliorant ainsi la tenue en fluage à haute température.
En variante, la surface réactive des deuxièmes particules est formée par un métal de transition ou un alliage du métal de transition. Le métal de transition peut être le zirconium ou le titane.
Dans un exemple de réalisation, les premières particules comprennent un noyau enrobé par une interphase.
Dans un exemple de réalisation, les premières particules sont des fibres courtes ayant une longueur moyenne comprise entre 50 pm et 5000 pm.
Une dimension moyenne désigne la dimension donnée par la distribution granulométrique statistique à la moitié de la population, dite D50.
En variante, les premières particules peuvent être sous la forme de grains plutôt que de fibres courtes. Les premières particules peuvent ainsi présenter une forme sphérique ou ellipsoïdale. Dans ce cas, la taille moyenne (D50) des premières particules peut être comprise entre 10 pm et 300 pm, par exemple entre 40 pm et 100 pm.
Dans un exemple de réalisation, les premières particules comprennent du carbure du silicium, par exemple un noyau de carbure de silicium enrobé par un revêtement tel que décrit plus haut. En plus des premières, deuxièmes et éventuellement troisièmes particules, la composition pulvérulente peut comprendre une charge inerte de carbure de silicium. Dans le cas d'une surface réactive comprenant du silicium, cela permet d'obtenir une matrice céramique SiC-Si après le pressage à chaud.
Dans un exemple de réalisation, une température imposée lors du pressage à chaud est comprise entre 1150°C et 1300°C, par exemple comprise entre 1200°C et 1300°C, par exemple comprise entre 1200°C et 1250°C.
Une telle caractéristique permet une activation rapide de la réaction chimique à l'état solide durant le pressage à chaud.
Dans un exemple de réalisation, une pression imposée lors du pressage à chaud est supérieure ou égale à 50 MPa, par exemple comprise entre 50 MPa et 75 MPa.
Une telle caractéristique participe à améliorer davantage encore l'homogénéité de la densification de la pièce.
Dans un exemple de réalisation, la teneur volumique en composition pulvérulente dans l'ébauche est comprise entre 45% et 85% et la teneur volumique en liant dans l'ébauche est comprise entre 15% et 55%, et la composition pulvérulente comprend :
- les premières particules dans en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 10% et 50%, par exemple comprise entre 15% et 35%,
- les deuxièmes particules, seules ou en combinaison avec une charge inerte éventuellement présente, en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 50% et 90%, par exemple entre 65% et 85%, et
- éventuellement des troisièmes particules de carbone, distinctes des premières et deuxièmes particules, en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 1% et 10%.
Sauf mention contraire, ces teneurs sont prises avant le début du pressage à chaud.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 est un ordinogramme d'un exemple de procédé selon l'invention. [Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique, un exemple de structure pour les premières particules pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention. [Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique, une variante de structure pour les premières particules pouvant être mise en oeuvre dans le cadre de l'invention.
[Fig. 4] La figure 4 représente, de manière schématique, un exemple de structure pour les deuxièmes particules pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention.
Description des modes de réalisation
Le procédé peut tout d'abord comprendre une étape d'obtention des premières particules et deuxièmes particules (étape El à la figure 1).
La figure 2 illustre un exemple de structure possible pour les premières particules 10. Les premières particules 10 peuvent comprendre un noyau 12 enrobé par un revêtement 14 (structure « core-shell » ou « cœur-écorce » en français). Les noyaux 12 des premières particules 10 peuvent être destinés à former le renfort de la pièce à obtenir. Dans l'exemple illustré, le noyau 12 est une fibre courte qui peut être obtenue par broyage ou découpe mécanique de fibres longues, de façon connue en soi. Le noyau 12 peut être en céramique, par exemple en carbure de silicium. Le noyau 12 peut présenter une longueur moyenne comprise entre 50 pm et 5000 pm, ou encore comprise entre 100 pm et 300 pm. Le noyau 12 peut être en carbure de silicium, ayant par exemple une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Dans ce cas, le noyau peut être obtenu par broyage ou découpe de fibres commerciales Hi-Nicalon type S commercialisées par la société japonaise NGS.
Le revêtement 14 peut être multicouches et comporter une interphase 16, comme illustré. L'interphase 16 peut être au contact du noyau 12. L'épaisseur ei de l'interphase 16 peut par exemple être comprise entre 10 nm et 1000 nm, et par exemple entre 10 nm et 500 nm. L'interphase 16 peut être monocouche ou multicouches. Dans l'exemple illustré, l'interphase 16 est monocouche. L'interphase 16 peut comporter au moins une couche de carbone pyrolytique (PyC), de nitrure de bore (BN), de nitrure de bore dopé au silicium (BN(Si), avec du silicium en une proportion massique comprise entre 5% et 40%, le complément étant du nitrure de bore), de nitrure de silicium (Si3N4) ou de carbone dopé au bore (BC, avec du bore en une proportion atomique comprise entre 5% et 20%, le complément étant du carbone). L'interphase 16 a ici une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l'interphase après s'être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture du renfort par de telles fissures.
Le revêtement 14 peut en outre comprendre des couches supplémentaires recouvrant l'interphase 16. Le revêtement 14 peut ainsi comprendre une couche 18 en carbure de silicium recouvrant l'interphase 16. La couche 18 en carbure de silicium peut être au contact de l'interphase 16. La couche 18 peut avoir pour fonction de protéger l'interphase lors de la formation de la matrice. L'épaisseur e2 de la couche 18 peut être supérieure ou égale à 0,5 pm, par exemple supérieure ou égale à 1 pm, par exemple comprise entre 0,5 pm et 5 pm, par exemple comprise entre 1 pm et 3 pm. Le revêtement 14 peut en outre comprendre une couche de surface 20 en carbone recouvrant la couche 18 en carbure de silicium. La couche de surface 20 peut être au contact de la couche 18. L'épaisseur e3 de la couche de surface 20 peut être supérieure ou égale à 100 nm, par exemple comprise entre 100 nm et 2 pm. L'épaisseur e3 de la couche de surface 20 peut être inférieure ou égale à 2 pm. Dans l'exemple de la figure 2, la surface externe S des premières particules 10 est en carbone lequel est destiné à réagir avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud afin de former une matrice céramique.
La figure 3 représente une variante de structure pour les premières particules 100 qui comprend cette fois-ci non plus une couche de surface en carbone mais une couche de surface 220 en carbure de silicium. Les premières particules 100 comprennent ainsi un noyau 12 enrobé par un revêtement 140 qui a la même structure que le revêtement 14 illustré à la figure 2 avec en plus une couche de surface 220 en carbure de silicium recouvrant la couche de carbone 20. Le carbure de silicium en surface 220 peut permettre la diffusion du silicium ou de l'élément métallique pour réagir avec le carbone 20 sous-jacent lors du pressage à chaud. L'épaisseur e4 de la couche de surface en carbure de silicium 220 peut être inférieure ou égale à 1 pm, par exemple inférieure ou égale à 500 nm. L'épaisseur e4 peut être comprise entre 100 nm et 1 pm, par exemple comprise entre 100 nm et 500 nm. Le revêtement 14 ou 140 peut être formé directement sur le noyau 12 ou, en variante, sur fibre longue avant découpe et broyage. Le revêtement 14 ou 140 peut être formé par dépôt chimique en phase vapeur par défilement de fibre longue dans une enceinte, ou par exemple par dépôt chimique en phase vapeur en lit fluidisé s'il est recherché de revêtir directement le noyau 12.
On vient de décrire des structures possibles pour les premières particules 10 et 100 en lien avec les figures 2 et 3. L'invention n'est pas limitée à de telles structures et d'autres variantes non illustrées sont possibles. On peut en particulier mettre en oeuvre des premières particules ayant la structure selon la figure 2 mais en permutant les couches 20 et 18, auquel cas la couche de surface est en carbure de silicium et permet la diffusion du silicium ou de l'élément métallique pour réagir avec le carbone sous-jacent durant le pressage à chaud comme dans le cas de la figure 3. Dans d'autres variantes non illustrées, le revêtement comprend moins de couches qu'aux figures 2 et 3. Ainsi, le revêtement des premières particules peut ne comprendre que l'interphase 16 et la couche de surface 18 en carbure de silicium ou même seulement l'interphase 16. Selon d'autres variantes, les premières particules sont dépourvues d'un revêtement et ne comprennent que le noyau 12. On notera concernant le noyau que les figures représentent le cas d'une fibre courte mais on ne sort pas du cadre de l'invention s'il a une forme de grain, par exemple de forme sphérique ou ellipsoïdale.
La figure 4 qui va, à présent être décrite, illustre un exemple de structure possible pour les deuxièmes particules 200 qui apportent le silicium ou l'élément métallique destiné à former la matrice céramique après réaction avec du carbone.
Dans l'exemple de la figure 4, les deuxièmes particules 200 ont une structure cœur- écorce avec un noyau 202 en carbone enrobé par une couche 204 formant la surface réactive comprenant le silicium ou l'élément métallique qui est au contact du noyau 202. La forme des deuxièmes particules 200 peut être différente de la forme des premières particules 10, 100. Dans ce cas, le noyau 202 en carbone peut réagir avec le silicium ou l'élément métallique afin de participer à la formation de la matrice céramique durant le pressage à chaud. D'autres variantes sont possibles pour les deuxièmes particules comme le cas d'une couche de carbone intermédiaire située entre un noyau et la couche de surface réactive comprenant le silicium ou l'élément métallique, ou le cas d'une structure non revêtue formée uniquement de grains de silicium, ou d'un alliage de silicium, ou d'un élément métallique ou d'un alliage de l'élément métallique. L'élément métallique peut être un métal de transition, comme le zirconium ou le titane.
Les premières 10, 100 et deuxièmes particules 200 peuvent être mélangées dans un liant afin d'obtenir la composition destinée à former l'ébauche (étape E2). Le liant peut être un liant polymérique. Le liant peut par exemple comprendre une résine thermoplastique ou thermodurcissable. Dans un exemple de réalisation, le liant peut comprendre au moins un polymère thermoplastique. Par exemple, le liant peut comprendre au moins un composé choisi parmi les suivants : alcool polyvinylique (PVA), polyéthylène glycol (PEG), polypropylène (PP), polyoxyméthylène (POM), polytéréphtalate d'éthylène (PET). Dans un exemple de réalisation, le liant peut comprendre au moins un polymère thermodurcissable. Par exemple, le liant peut comprendre au moins un composé choisi parmi les suivants : résines époxydes, résines phénoliques, résines pré-céramiques. Le liant peut comprendre de l'acide stéarique.
On peut adjoindre au mélange des troisièmes particules de carbone, distinctes des premières 10, 100 et deuxièmes 200 particules, qui peuvent réagir avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud afin de participer à la formation de la matrice céramique. On peut aussi adjoindre une charge inerte de carbure de silicium, distincte des premières 10, 100 et deuxièmes 200 particules.
Avant déliantage, le mélange obtenu ou l'ébauche peut comprendre la composition pulvérulente en une teneur volumique comprise entre 45% et 85% et le liant en une teneur volumique comprise entre 15% et 55%. La composition pulvérulente peut comprendre:
- les premières particules 10, 100 en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 10% et 50%, par exemple comprise entre 15% et 35%,
- les deuxièmes particules 200, seules ou en combinaison avec la charge inerte de carbure de silicium éventuellement présente, en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 50% et 90%, par exemple entre 65% et 85%, et
- éventuellement les troisièmes particules de carbone en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 1% et 10%.
La composition pulvérulente comprenant les premières, deuxièmes, et éventuellement la charge inerte et/ou les troisièmes particules, peut être dispersée de manière homogène dans le liant.
Selon un exemple, on peut utiliser un mélange comprenant une composition pulvérulente qui comprend :
- des premières particules à raison de 15% en teneur volumique dans la composition pulvérulente, sous la forme de fibres courtes de carbure de silicium ayant une longueur moyenne de 250 pm et un diamètre moyen compris entre 8 pm et 12 pm, revêtues par une interphase BN de 0,5 pm et d'une couche de carbure de silicium d'épaisseur comprise entre 1 pm et 2 pm,
- des deuxièmes particules formées de silicium ou d'un alliage de silicium, ou ayant une surface réactive de silicium ou d'un alliage de silicium enrobant une région de composition différente, les deuxièmes particules étant présentes à raison de 10% en teneur volumique dans la composition pulvérulente, et
- une charge inerte de carbure de silicium ayant une taille moyenne comprise entre 1 pm et 50 pm et présente à raison de 75% en teneur volumique dans la composition pulvérulente.
On procède ensuite à la formation de l'ébauche à partir du mélange obtenu par introduction dans un moule (étape E3) et à une élimination du liant, par dissolution chimique ou traitement thermique ou thermochimique (étape E4) afin d'obtenir une ébauche déliantée. Les techniques de formation du mélange, de l'ébauche et de déliantage sont connues en soi et ne nécessitent pas d'être davantage détaillées ici. Le procédé se poursuit par une étape de pressage à chaud (étape E5) durant lequel l'ébauche déliantée est comprimée sous température afin de réduire la porosité obtenue à l'issue du déliantage. On réalise durant le pressage à chaud une densification de l'ébauche déliantée durant laquelle la porosité va progressivement se réduire et l'ébauche se contracter pour atteindre les dimensions de la pièce finale. Durant le pressage à chaud, on impose une température inférieure à la température de fusion de la surface réactive mais suffisante pour activer la réaction chimique à l'état solide entre du carbone présent dans la composition pulvérulente et le silicium ou l'élément métallique de la surface réactive des deuxièmes particules, de sorte à former la matrice céramique. Comme indiqué plus haut, le carbone réactif peut être apporté par les premières particules 10,100 et/ou par les deuxièmes particules 200 et/ou par les troisièmes particules. On notera que dans l'hypothèse où un résidu carboné de pyrolyse du liant demeure après le déliantage, ce résidu peut apporter du carbone réactif supplémentaire réagissant avec le silicium ou l'élément métallique pour participer à la formation de la matrice céramique. Les deuxièmes particules peuvent être dispersées de manière homogène dans l'ébauche déliantée subissant le pressage à chaud. Lors du pressage à chaud, la réaction thermochimique aboutissant à la matrice céramique peut avoir lieu simultanément dans l'ensemble de l'ébauche déliantée. On peut réaliser un frittage sous contrainte durant le pressage à chaud, par exemple un frittage flash (également connu sous l'acronyme « SPS », de l'anglais « Spark Plasma Sintering »).
Au moins une dimension de l'ébauche déliantée peut être réduite d'au moins 10%, par exemple d'au moins 15%, durant le pressage à chaud. Au moins une dimension de l'ébauche déliantée peut être réduite d'une valeur comprise entre 15% et 25% durant le pressage à chaud. La compaction de l'ébauche déliantée est maintenue durant le pressage à chaud.
La température imposée durant le pressage à chaud peut être comprise entre 1150°C et 1300°C et la pression imposée durant le pressage à chaud supérieure ou égale à 50 MPa, par exemple comprise entre 50 MPa et 75 MPa. La durée du pressage à chaud peut être supérieure ou égale à 1 minute, par exemple à 2 minutes.
On peut ensuite réaliser, si cela est souhaité, un usinage pour obtenir la forme définitive pour la pièce.
La pièce peut présenter une teneur volumique en renfort comprise entre 10% et 50%, par exemple comprise entre 20% et 40%, et une teneur volumique en matrice comprise entre 50% et 90%, par exemple entre 50% et 70%. Lorsque la surface réactive des deuxièmes particules comprend du silicium, le taux volumique de silicium libre dans la pièce peut être inférieur ou égal à 15%, par exemple inférieur ou égal à 5%.
Si cela est souhaité, on peut procéder à une finalisation de la densification après le pressage à chaud en introduisant une faible quantité de métal à l'état fondu par mise en oeuvre d'une technique classique d'infiltration à l'état fondu.
La pièce obtenue peut être une pièce de turbomachine, par exemple une pièce de turbomachine aéronautique. La pièce peut être une pièce de turbine à gaz d'un moteur aéronautique ou d'une turbine industrielle. En particulier, la pièce peut constituer une partie au moins d'un distributeur, une paroi d'une chambre de combustion, un secteur d'anneau de turbine ou une aube de turbomachine.
L'expression « comprise entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins :
- le déliantage (E4) d'une ébauche de la pièce à obtenir comprenant un liant et une composition pulvérulente comprenant du carbone présente dans le liant, la composition pulvérulente comprenant :
(i) des premières particules (10 ; 100) de renfort, et
(ii) des deuxièmes particules (200), distinctes des premières particules, ayant une surface réactive (204) comprenant du silicium ou un élément métallique, et
- le pressage à chaud (E5) de l'ébauche déliantée durant lequel il y a réaction thermochimique à l'état solide entre le carbone de la composition pulvérulente et le silicium ou l'élément métallique de la surface réactive des deuxièmes particules afin de former la matrice céramique.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel les premières particules (10) comprennent un noyau (12) enrobé par un revêtement (14) comprenant au moins une couche de surface (20) en carbone, le carbone de cette couche de surface réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud (E5).
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 1, dans lequel les premières particules (100) comprennent un noyau (12) enrobé par un revêtement (140) comprenant au moins une couche de surface (220) en carbure de silicium et une couche intermédiaire (20) en carbone située entre la couche de surface et le noyau, le carbone de la couche intermédiaire réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud (E5).
[Revendication 4] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les deuxièmes particules (200) comprennent en outre une région (202) en carbone enrobée par la surface réactive (204), le carbone de cette région réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud (E5).
[Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la composition pulvérulente comprend en outre des troisièmes particules de carbone, distinctes des premières et deuxièmes particules, réagissant avec le silicium ou l'élément métallique durant le pressage à chaud (E5).
[Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la surface réactive (204) des deuxièmes particules (200) est formée par du silicium ou un alliage de silicium.
[Revendication 7] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les premières particules (10 ; 100) comprennent un noyau (12) enrobé par une interphase (16).
[Revendication 8] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les premières particules (10 ; 100) sont des fibres courtes ayant une longueur moyenne comprise entre 50 pm et 5000 pm.
[Revendication 9] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les premières particules (10 ; 100) comprennent du carbure de silicium.
[Revendication 10] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel une température imposée lors du pressage à chaud (E5) est comprise entre 1150°C et 1300°C.
[Revendication 11] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel une pression imposée lors du pressage à chaud (E5) est supérieure ou égale à 50 MPa.
[Revendication 12] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la teneur volumique en composition pulvérulente dans l'ébauche est comprise entre 45% et 85% et la teneur volumique en liant dans l'ébauche est comprise entre 15% et 55%, et la composition pulvérulente comprend :
- les premières particules dans en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 10% et 50%, par exemple comprise entre 15% et 35%,
- les deuxièmes particules, seules ou en combinaison avec une charge inerte éventuellement présente, en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 50% et 90%, par exemple entre 65% et 85%, et
- éventuellement des troisièmes particules de carbone, distinctes des premières et deuxièmes particules, en une teneur volumique dans la composition pulvérulente comprise entre 1% et 10%.
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