Brevet FR2576301A1 — publié le 19860725

Procédé de préparation de matériaux réfractaires poreux, produits nouveaux ainsi obtenus et leurs applications à la préparation d'anneaux de turbine abradables. La présente invention concerne un procédé de préparation de matériaux réfractaires poreux; elle concerne également les produits nouveaux obtenus et les applications desdits produits notamment à la préparation de nouveaux anneaux de turbine abradables. La plupart des matériaux poreux à base de produits réfractaires (carbure, nitrure, oxyde, etc.) sont obtenus par assem- blage de grains ou de poudres dont les parties élémentaires sont liées entre elles soit par un liant réfractaire, soit par frittage. Ce procédé de fabrication confère au produit final une texture dont les pores ont une forme géométrique voisine de celle qui résulte d'un empilement de sphères. Lorsque ce type de matériau est soumis à un frottement, l'usure se produit par l'arrachement des grains élémentaires car, en général, le grain lui-meme,de par sa forme-et sa nature chimique,est très dur et résiste à une usure par frottement. Par ailleurs, on connaît d'autres réalisations de maté- riaux poreux qui, elles, mettent en oeuvre des fibres de carbone qui sont éliminées ensuite par des procédés thermochimiques. Ces matériaux poreux sont préparés par des procédés électrolytiques, ce qui limite pratiquement leur utilisation aux métaux. De plus, les procédés proposés conduisent à des dépôts sur des fibres en vrac, en suspension dans un électrolyte, ce qui entraîne, pour arriver à l'objet final, la confection ultérieure d'un feutre, un compactage et une mise en forme finale. Il a été trouvé maintenant, et c'est là l'objet de la présente invention, que l'on pouvait avantageusement préparer des matériaux poreux en produit réfractaire en réalisant le dépSt en phase gazeuse, dudit produit réfractaire au sein d'une structure fibreuse de carbone, puis en éliminant ensuite ladite structure de carbone. Les produits réfractaires poreux que l'on peut réaliser par ce procédé sont des produits à base d'alumine ou de carbures... et, en particulier, des produits en carbure de silicium. En fait, tous les produits réfractaires poreux dont on peut réaliser le dépSt, en phase gazeuse, dans une structure à base de fibres de carbone peuvent être préparés par la techni- que selon l'invention. La structure fibreuse de carbone dans laquelle s'ef- fectuera le dépôt du matériau réfractaire pourra être une struc- ture désordonnée (feutre) ou une structure plus ou moins ordonnée dans laquelle une plus ou moins grande proportion des fibres sera orientée dans au moins une direction préférentielle. Cette orientation pourra être par exemple unidirectionnelle et être obtenue par peignage ou moyens équivalents. La structure fibreuse pourra être plus ou moins densifiée par dépôt, comme connu, sur ou entre les fibres de carbone. Grace à cette possibilité d'orientation des fibres de carbone, et grâce à la possibilité de densification de la structure en fibres de carbone, le procédé selon l'invention permet d'obtenir toute une série de matériaux nouveaux dont on peut contrôler les propriétés afin de les adapter aux utilisations prévues. Il faut signaler que le dépôt, en phase gazeuse, du matériau réfractaire dans la structure à base de fibres de carbone peut être avantageusement réalisé alors que ladite struc- ture a été mise en forme de façon à obtenir directement un produit dans sa forme définitive, c'est-a-dire prêt à être assemblé ou utilisé. L'élimination du carbone contenu dans le matériau complexe obtenu (carbone se trouvant sous forme de fibres et éventuellement de carbone de densification) s'effectue par tout moyen connu notamment par oxydation. Ceci implique que le matériau réfractaire déposé résiste bien au moyen utilisé pour éliminer le carbone. La présente invention concerne également les produits nouveaux obtenus par la mise en oeuvre du procédé. La caractéris- tique essentielle de ces produits nouveaux est qu'ils se présentent sous forme d'un assemblage en forme de petits tubes en matière réfractaire. Lorsque ces petits tubes sont orientés, il est possible que les surfaces des pièces présentent, par rapport aux dits petits tubes, des orientations spécifiques par exemple les surfaces de frottement seront perpendiculaires à l'axe des tubes, dans ce dernier cas l'usure du matériau s'effectuera par la rupture, en flexion, des parois minces des tubes en matériau réfractaire. L'invention concerne donc des produits nouveaux qui sont des produits réfractaires poreux caractérisés en ce que les pores ont une forme cylindrique. On a déjà indiqué précédemment que les produits nouveaux peuvent présenter avantageusement au moins une des caractéristiques suivantes: - les cylindres en matériau réfractaire que constituent les produits sont orientés, - les produits nouveaux sont obtenus sous forme de pièces directement utilisables, - le matériau réfractaire est'de préférence du carbure de silicium. On utilisera avantageusement, comme produit de départ, une structure formée de fibres de carbone orientées; cette structure aura par exemple un poids d'environ 330 g/mètre carré, un taux de fibres d'environ 9 %, et un diamètre de fibres de 7 à 10 micromètres. On déposera dans ce matériau, selon la technique de dép8t en phase vapeur, du carbure de silicum et on éliminera par tout moyen connu, par exemple par dissolution, les fibres de carbone contenues dans le matériau obtenu. Lorsque le matériau réfractaire est du carbure de silicium on obtient selon l'invention un matériau abradable présentant des propriétés remarquables et utile notamment pour la réalisation d'anneaux de turbine. Un anneau de turbine assure les fonctions suivantes: - continuité de la veine extérieure, - étanchéité entre le sommet de l'aube et la veine, en effet, le rendement d'une turbine dépend sensiblement du jeu en sommet d'aube (par exemple, un jeu de 1/10 mm conduit à une perte de I Z sur le rendement des turbines de moyenne puissance), - abradabilité (usure par frottement) au contact aube- veine, l'aube pouvant venir en contact dans les fonction- nements en transitoire. Les différentes fonctions et les conditions de l'environ- nement entraînent à rechercher une pièce et un matériau présentant les qualités suivantes: - résistance à la corrosion par les produits de combustion à haute température (1300 C) afin de limiter le débit d'air de refroidissement, - résistance aux cyclages thermiques, - résistance aux chocs thermiques, - résistance à l'érosion (mais abradable quand même) due à I'impact de fines particules, - fabrication reproductible, - usinage et rectifiable en place, - encombrement et poids minimum. On a déjà préconisé l'utilisation de matériaux à base de nickel ou de chrome ou de matériaux frittes du type "cérami- que aérée" pour la préparation d'anneaux de turbines abradables. Malheureusement, ces matériaux présentent tous des inconvénients notables en particulier lorsque la température des anneaux varie dans de larges domaines. Il a été trouvé, et c'est là un des objets de la présente invention qu'en mettant en oeuvre la présente invention, il était possible de réaliser des anneaux de turbines en un matériau poreux constitué par du carbure de silicium. Il n'est pas évident d'envisager l'utilisation d'un produit (carbure de silicium) considéré comme abrasif pour constituer une structure abradable. Cependant, dans la mesure o on utilise un matériau selon l'invention présentant une porosité préférentielle de 15 à 20 %, et une orientation des petits tubes en carbure de silicium sensiblement perpendiculaire à la surface abradable, on obtient un résultat tout à fait remarquable. Les avantages du matériau tel que décrit dans son utilisation comme anneaux de turbine, sont notamment: - la possibilité d'atteindre des températures très élevées en conservant les propriétés à froid du matériau, - une résistance à l'érosion tout à fait remarquable. Cependant, l'utilisation dudit matériau pour la réalisa- tion d'anneaux abradables de turbine pose le problème de la liaison entre ledit matériau et le métal périphérique compte tenu des différences de dilatation entre ledit métal et ledit matériau. La présente invention porte également sur la solution d'un tel problème. Ladite solution consiste à réaliser un montage dans lequel un anneau ouvert en matériau céramique abradable est monté à l'intérieur de l'anneau métallique et peut glisser le long dudit anneau métallique tout en étant comprimé sur ledit anneau métal- lique à l'aide d'au moins un ressort. Bien évidemment il est possible et très généralement souhaitable, tout en conservant le montage d'un anneau ouvert en matériau céramique, ledit anneau étant comprimé à l'aide d'au moins un ressort, d'intercaler, entre ledit anneau et l'anneau métallique externe, un isolant céramique intermédiaire; ledit isolant céramique monolithe ou fractionné est sollicité seulement en compression. On donne ci-après, en se référant aux figures schéma- tiques 1 et 2:un exemple illustratif du montage selon l'invention. La figure 1 est une représentation schématique en coupe perpendiculaire à son axe d'un anneau de turbine en matériau abradable monté, selon l'invention, dans un anneau métallique. La figure 2 représente, en coupe axiale, un montage de l'anneau abradable sur l'anneau métallique avec interposition partielle (figure 2a) ou totale (figure 2b) d'un isolant métallique. Sur la figure 1, on a représenté en 1 l'anneau métal- lique fermé qui constitue la structure de la turbine et en 2 l'anneau en matériau abradable selon l'invention. Cet anneau en matériau abradable est ouvert 3; les deux faces de cette ouverture sont comprimées par un ressort 4 travaillant en compression, ledit ressort étant choisi de façon à exercer sur lesdites faces un effort suffisant pour appliquer en permanence l'anneau en matériau abradable sur l'anneau métallique. Le ressort 4 peut être constitué d'un vérin à air ou d'un vérin hydraulique ou, de préférence, d'un ressort à lames, soit métalliques, soit céramiques, soit mixtes. L'étanchéité au niveau de la coupure 3 de l'anneau abradable sera réalisée sans difficultés majeures par mise en oeuvre de moyens connus. Sur les figures 2a et 2b on a représenté: - en 1 l'anneau métallique fermé qui constitue la structure de la turbine, - en 2 l'anneau abradable; cet anneau est, comme représenté sur la figure 1, ouvert et comprimé par au moins un ressort, - en 5 un isolant céramique qui peut être soit situé unique- ment au droit des extrémités de l'anneau métallique 1 comme dans la figure 2a, soit s'étendre sur la totalité de la surface ouverte de cet anneau métallique comme dans la figure 2b; dans ce dernier cas cette couche isolante peut contribuer à l'étanchéité radiale du système. a [ bU i REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de matériaux réfractaires poreux, caractérisé en ce que l'on réalise le dépôt, en phase gazeuse, dudit matériau réfractaire au sein d'une structure fibreuse de carbone puis que l'on élimine ladite structure fibreuse de carbone. 2. Matériaux réfractaires nouveaux, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus selon le procédé de la revendication 1. 3. Matériaux réfractaires nouveaux selon la revendication 2, caractérisés en ce qu'ils se présentent sous forme d'un assemblage de petits tubes en matière réfractaire. 4. Matériaux réfractaires selon la revendication 3, caracté- risés en ce que lesdits petits tubes présentent des axes sensiblement parallèles du fait que les fibres de carbone utilisées dans ladite structure fibreuse de carbone étaient parallèles, et que ces petits tubes ont des axes sensiblement perpendiculaires à au moins une surface extérieure du matériau. 5. Matériaux réfractaires selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisés en ce que ledit matériau est un carbure de silicium. 6. Application des matériaux réfractaires tels que définis dans les revendications 4 et 5, caractérisée en ce que lesdits matériaux sont utilisés pour la réalisation de -pièces abradables et notamment d'anneaux abradables de turbine. 7. Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits anneaux abradables de turbine sont des anneaux ouverts, montés à l'intérieur de la structure métallique de la turbine et appuyés contre cette structure à l'aide d'au moins un ressort.