Brevet FR2549823A1 — publié le 19850201

Procédé de fabrication de céramique réfractaire, et pièces structurelles en céramique, notamment obtenuespar ce procédé. La présente invention concerne un procé5 dé de fabrication de céramique réfractaire, ainsi qu'une pièce structurelle en céramique, notamment obtenue par ce procédé. S'il s'y forme une fissure, la fragilité d'une céramique provoque habituellement une mise au re10 but de la pièce considérée, en raison de sa rupture Or, une pièce structurelle rompue peut provoquer des suites catastrophiques, par exemple dans le cas o cette pièce est une aube de rotor faisant partie d'une turbine à gaz. Dans le domaine du verre filé, on a réussi, par introduction après fusion de fils métalliques, à maintenir dans la structure d'ensemble les fragments de la pièce brisée, et ceci malgré la formation de fissures Ceci est particulièrement important lorsque des fragments libres peuvent provoquer d'autres dommages sous la forme d'une réaction en chaîne, de sorte qu'un défaut initial réduit peut provoquer un endommagement global important. Dans le domaine des céramiques réfrac25 taires, l'introduction de fils métalliques s'avère difficile pour diverses raisons En effet, la céramique présente un module d'élasticité nettement plus élevé que les fils métalliques Il en résulte que, contrairement au cas du verre, il ne faut pas, lors d'une sollicita30 tion en dilatation, s'attendre à ce qu'un effet de renforcement soit rendu possible par la présence des fils En outre, le domaine d'utilisation en température des céramiques réfractaires se situe à un niveau nettement plus élevé que celui des fils métalliques En effet, ces fils 35 métalliques fondent en général aux températures appartenant au domaine d'utilisation propre des céramiques réfractaires Par ailleurs, lors de la fabrication d'un produit composite, ainsi qu'en service, il peut apparaître des réactions chimiques indésirables entre le fil métallique et la céramique D'autre part, dans le cas de pièces en céramique montées dans une construction et comportant une structure métallique interne, il peut apparaître le danger d'une surchauffe de cette structure métallique si, dans le courant de gaz chaud, celui-ci parvient directement jusqu'au métal du fait d'une fissu10 re ou d'une fracture Enfin, les différences de dilatation thermique entre le métal et la céramique plaident en défaveur de l'utilisation de ces deux matériaux dans une pièce structurelle composite commune. C'est pourquoi l'invention a pour but de 15 fournir un procédé permettant de fabriquer une céramique réfractaire, qui soit particulièrement simple et qui permette la fabrication de pièces structurelles en céramique pouvant être soumises à de fortes sollicitations, chaque pièce pouvant demeurer dans la structure d'ensemble même 20 lors de la formation de fissures ou d'une fracture. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces structurelles en céramique réfractaire, par frittage ou vitrification d'ébauches ou produits crus, caractérisé en ce que, avant 25 le frittage ou vitrification, on amène sur une matrice de céramique à fritter, ou dans celle-ci, au moins une couche de fibres en une céramique du même type, et ceci de manière que cette couche de fibres ne fasse pas l'objet d'infiltration de la part de la matière céramique, ou tout au plus ne le fasse que 30 partielleaent La couche de fibres en céramique d'un type analogue peut, par exemple, être constituée par une fibre de Si C, dans le cas d'une céramique Si C, ou par de la fibre A 1203 dans le cas d'une céramique d'A 1203 Lors de l'opération de frittage, il apparaît une liaison homogène 35 partielle entre le corps en céramique non renforcé et la fibre de céramique La couche de fibres ne fait pas totalement l'objet d'une infiltration de la Part de la matrice de céramique, car dans le cas contraire, on perdrait, en raison de la rupture simultanée des fibres, l'effet d'arrêt ou blocage des fissures d'une part et de sécurité concernant les fragments d'autre part. Par ailleurs, dans une céramique non endommagée, la couche intermédiaire de fibres conforme à l'invention s'oppose à un transfert thermique important indésirable par rayonnement et/ou convection De plus, cette couche intermédiaire peut permettre un léger transfert d'efforts vers les structures de support, et compenser les différences de dilatation thermique entre la céramique et des noyaux de support éventuels Ainsi, lors d'une fissuration ou d'une rupture, on obtient un compor15 tement d'auto protection étant donné que la fibre de céramique est de loin moins sensible à l'effet d'un gaz chaud environnant que ne le seraient, par exemple, des fils métalliques,etc Suivant un mode de réalisation avanta20 geux de ce procédé de fabrication, on dépose la couche de fibres dans un moule pour barbotine, en réglant la viscosité de la barbotine en fonction de la consistance de la fibre et de manière que la barbotine ne puisse pénétrer que partiellement dans la couche de fibres. En variante, on peut par contre également déposer la couche de fibres dans un moule à pression, avant l'opération de compression isostatique, à la suite de quoi, on la comprime partiellement dans la matrice de céramique. Comme couche de fibres, on peut utiliser notamment un feutre de fibres céramiques non orientées, ou bien encore un mat ou un feutre constitué de fibres céramiques à orientation spatiale (par rapport aux trois dimensions), et présentant une forte résistante transversale (résistance méca35 nique perpendiculaire au plan du mat ou feutre), par exemple un tissé unidirectionnel. Ainsi, selon l'invention, on utilise des matériaux céramiques analogues aussi bien pour la pièce structurelle proprement dite que pour le renforcement de celle-ci, ce qui permet d'éliminer toute différence de caractéristique pour les matériaux, contrairement à 1 'état antérieur de la technique mentionné plus haut La pièce structurelle céramique compositefabriquée conformément à l'invention présente de ce fait un module d'élasticité unitaire En outre, le domaine d'utilisation 10 en ce qui concerne les températures se trouve à un niveau nettement plus élevé que si l'on utilisait des fils métalliques de renforcement Par ailleurs, en dehors du processus chimique de frittage, il n'apparaît aucune autre réaction chimique entre les matériaux composants con15 sidérés Il n'apparaît enfin aucune différence de dilatation thermique entre la couche de fibres et la matrice céramique De ce fait, on améliore nettement, en particulier, grâce à l'invention, le comportement " d'auto- protection " à l'encontre d'une mise hors d'usage catastrophi20 que des pièces structurelles (rupture avec fragments libres) Comme pièces structurelles en céramique fabriquées conformément à l'invention, on peut notamment citer les tubes de chambre de combustion et les aubes ou ailettes de turbine,qui sont soumis à des sollicitations élevées 25 sur le plan thermique et/ou mécanique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemplesnon limitatifr en regard des dessins annexés sur lesquels: la Fig 1 représente une pièce structurelle en céramique (simple) fabriquée suivant un procédé conforme à l'invention; la Fig 2 représente une autre pièce structurelle en céramique comportant une couche de fibres de renforce35 ment incorporée. La pièce structurelle en céramique repré- sentée par la Fig 1 englobe une matrice de céramique non renforcée 1 qui est recouvert e latéralement à l'aide d'une couche de fibres en une céramique du même type. Pour fabriquer cette pièce, on amène sur "l'ébauche" ou produit " cru" une couche de fibres céramiques 2 qui peut être constituée par un mat ou feutre non orienté ou par un matériau en fibres orientées se présentant sous la forme d'un tissé Lors de l'opération de frittage ou vitrification quisuit, il se forme une liaison entre la matrice céramique 1 et 10 cette couche de fibres de renforcement 2, cette couche ne faisant pas l'objet d'une infiltration totale de la part de la matrice de céramique ("liaison homogène partielle par frittage") Grâce à cette liaison par frittage qui n'est formée que partiellement entre les matériaux du produit 15 composite, lors d'une rupture de la matrice, il n'apparaît pas simultanément de rupture des fibres Ainsi, la couche de fibres en céramique d'un même type remplit la fonction d'une couche de renforcement pour l'ébauche ou produit cru en céramique proprement dite. La pièce structurelle en céramique représentée par la Fig 2 englobe une couche de fibres 2 en céramique qui est entièrement insérée dans l'ébauche ou produit cru avant l'opération de frittage De ce fait, la couche de fibres de renforcement 2 se trouve disposée entre deux couches de céramique, pour en assurer le renforcement. Lors de la fabrication des pièces structurelles en céramique, on peut, par exemple, déposer la couche de fibres dans un moule pour barbotine; on peut 30 toutefois également la déposer dans un moule à pression, par exemple sur un noyau,avant la compression isostatique, à la suite de quoi on la soumet à l'injection-compression. A titre d'exemple d'exécution, on dépose 35 une couche de fibres en céramique Si C présentant une épaisseur de 1 mm, sur une matière formant matrice et qui est constituée de Si C et d'un liant organique ( par exem- ple un liant thermoplastique) La matrice doit, dans ce cas,présenter une épaisseur de 5 mm On soumet à une compression d'ensemble, isostatique et à froid, la couche de fibres céramiqu Eset la matrice céramique, en utilisant une pression de 2000 bars On élimine alors par combustion le liant organique On procède enfin au frittage du corps composite sous une atmosphère de gaz inerte à une température de 1700 à 2000 C et pour une durée d'environ 20 mn. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de fabrication de pièces structurelles en céramique réfractaire, par frittage d'ébauches ou produits crus, caractérisé en ce que, avant le frittage, on amène sur une matrice en céramique ( 1) formant ébauche ou pièce crue à fritter ou vitrifier, ou dans cette matrice, au moins une couche de fibres ( 2) en une céramique d'un type analogue, cette opération étant effectuée de manière que cette couche de fibres ne fasse 10 pas l'objet d'une infiltration par la matière céramique ou ne le soit que tout au plus partiellement. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose la couche de fibres ( 2) dans un moule pour barbotine, en réglant la viscosité de 15 la barbotine en fonction de la consistance de la fibre et de manière que cette barbotine ne puisse pénétrer que partiellement dans la couche de fibres. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose la couche de fibres ( 2) dans un moule à pression avant d'effectuer une opération de compression isostatique, à la suite de quoi cette couche est soumise à une compression partielle dans la matrice céramique ( 1). 4 ) Procédé selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise comme couche de fibres un feutre de fibres céramiques non orientées. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise comme couche de fibres un mat formé de fibres céramiques orientées spatialement (par rapport aux trois dimensions) et présentant une résistance transversale élevée (résistance mécanique perpendiculaire au plan du mat de fibres). 6 ) Pièce stucturelle céramique, carac35 térisée en ce qu'une matrice céramique ( 1) est assemblée avec au moins une couche ( 2) de fibres orientées ou non orientées en une céramique d'un type analogue. 7 ) Pièce structurelle céramique selon la revendication 6, caractérisée en ce que la couche de fibres ne fait l'objet que d'une infiltration partielle de la part de la matrice céramique.