Brevet FR2594119A1 — publié le 19870814

INSTALLATION POUR L'INFILTRATION CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR D'UN MATERIAU REFRACTAIRE AUTRE QUE LE CARBONE La présente invention concerne une installation pour la densification de pièces poreuses par infiltration chimique en phase vapeur d'un matériau réfractaire autre que le carbone. Le domaine d'application de l'invention est donc la fabrication de pièces composites à matrice réfractaire en un matériau différent du carbone, notamment en carbure de silicium ou en alumine. On connaît déjà des installations industrielles destinées à la densification de pièces poreuses carbonées par dépôt chimique en phase vapeur de carbone pour réaliser des pièces composites en carbone/carbone. Mais ces installations s'avèrent inadaptées à l'infiltration de matériaux tels que le carbure de silicium ou l'alumine. Une raison tient à ce que l'infiltration de tels matériaux demande l'utilisation de gaz réactifs ou implique la production de produits de réaction tel l'acide chlorhydrique qui constituent des espèces chimiques délicates à manipuler. Une autre raison réside dans la difficulté de réaliser des infiltrations uniformes et exemptes de dépôts parasites. C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir une installation permettant la densification de pièces poreuses par un matériau réfractaire, tel que le carbure de silicium ou l'alumine, dans des conditions de sécurité et avec la fiabilité qui sont requises au stade industriel. Ce but est atteint grâce à une installation du type comprenant un induit en graphite délimitant une chambre de réaction, un inducteur entourant l'induit pour chauffer la chambre de réaction par induction, une enceinte étanche contenant l'induit et l'inducteur, des moyens d'alimentation de la chambre de réaction en gaz réactifs, des moyens d'alimentation de l'enceinte en gaz inerte et des moyens d'extraction de gaz hors de la chambre de réaction et de l'enceinte, installation dans laquelle, conformément à l'invention, l'induit constitue une structure étanche à l'intérieur de l'enceinte et est raccordé à l'extérieur de l'enceinte aux moyens d'alimentation en gaz réactifs, l'enceinte est alimentée en gaz inerte pour maintenir en permanence une circulation de gaz inerte dans l'espace entourant l'induit à l'intérieur de l'enceinte, et l'évacuation de gaz hors de la chambre de réaction et du gaz inerte hors de l'enceinte est réalisée au moyen de canalisations d'évacuation respectives qui se rejoignent à l'extérieur de l'enceinte, de sorte que des pressions sensiblement égales sont maintenues dans l'enceinte à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre de réaction. La structure étanche de l'induit empêche les gaz réactifs et les produits de réaction de venir au contact de pièces du four d'infiltration à l'extérieur de l'induit, notamment l'inducteur métallique, pièces à l'égard desquelles ces gaz présenteraient une agressivité particulière. Le balayage de l'enceinte à l'extérieur de l'induit par un gaz neutre assure une protection en formant un tampon autour de la chambre de réaction. De plus, le maintien à des valeurs égales des pressions dans l'enceinte à l'intérieur et à l'extérieur de l'enduit évite une fuite de gaz neutre dans la chambre de réaction, ce qui perturberait le processus d'infiltration, ou une fuite de gaz réactifs ou de produits de réaction agressifs ou dangereux dans l'enceinte à l'extérieur de la chambre de réaction. De préférence, les moyens d'extraction de gaz comportent un dispositif de pompage à anneau liquide, comme une pompe à anneau d'eau, auquel sont raccordées les canalisations d'évacuation. Avec un tel dispositif de pompage, l'extraction de produits corrosifs, tel l'acide chlorhydrique, est rendue possible sans les systèmes de protection coûteux qui seraient nécessaires avec d'autres dispositifs de pompage, comme les pompes à palettes. D'autres particularités et avantages de l'installation conforme à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après à titre indicatif mais non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue très schématique d'une installation connue pour l'infiltration chimique en phase vapeur de carbone; - la figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'une installation selon l'invention pour l'infiltration en phase vapeur de carbure de silicium; et - la figure 3 est une vue partielle montrant de façon plus détaillée le dispositif d'extraction de l'installation de la figure 2. Sur la figure i est représenté très schématiquement un four de l'art antérieur pour l'infiltration en phase vapeur de carbone. Un induit en graphite 1 est logé à l'intérieur d'une enceinte métallique étanche 2. Un inducteur métallique 3 disposé également à l'intérieur de l'enceinte 2 entoure l'induit 1 avec interposition d'un isolant thermique 4. L'induit 1 délimite une chambre de réaction 5 dans laquelle des pièces poreuses à densifier sont disposées sur un support 6. La chambre 5 est alimentée en gaz réactifs par une canalisation 7 qui s'ouvre au fond de la chambre et l'enceinte 2 est alimentée en gaz neutre (azote) par une canalisation 8. Les produits de réaction et les gaz réactifs non utilisés sont évacués hors de la chambre de réaction 5 par des ouvertures formées au sommet de celle-ci puis sont évacuées hors de l'enceinte, avec le gaz neutre, par une canalisation d'évacuation 9 qui s'ouvre dans l'enceinte 2 à l'opposé de la canalisation 8.- Le dépôt chimique en phase vapeur du carbone au sein de la porosité des pièces à densifier est obtenu par craquage d'alcanes, notamment du méthane ou des mélanges de nméthane et d'alcanes plus lourds. Dans des conditions de température et de pression adaptées, ces gaz réactifs donnent naissance à du carbone et à de l'hydrogène. L'extraction de l'hydrogène, des alcanes non décomposés et de l'azote est réalisée par pompage afin de maintenir la pression voulue dans la chambre de réaction, la manipulation de ces gaz ne posant pas de problème particulier au stade industriel. Par contre, l'infiltration chimique en phase vapeur de matériaux réfractaires autres que le carbone soulève des difficultés. Ainsi, l'infiltration de carbure de silicum est réalisée S05 par décomposition d'un produit chimique plus complexe que les alcanes, à savoir, par exemple le méthyltrichlorosilane CH3SiCl3 (ci-après MTS) qui donne naissance en présence d'hydrogène H2 servant de catalyseur et dans des conditions de température et de pression adaptées, à du carbure de silicum SiC et de l'acide chlorhydrique HC1. Le MTS, qui est liquide dans les conditions normales de température et de pression, est d'une manipulation délicate en raison de son agressivité; il en est de même bien évidemment de l'acide chlorhydrique. L'infiltration de carbure de silicium pose encore d'autres problèmes particuliers tels qu'une mauvaise uniformité du dépôt et l'existence de dépôts parasites de silicium et de carbone. Ces problèmes se rencontrent également dans le cas d'infiltration d'autres matériaux différents du carbone, comme par exemple l'alumine. D'une façon générale, en ce qui concerne les conditions opératoires à respecter pour l'infiltration chimique en phase vapeur de matériaux réfractaires autres que le carbone, on pourra se référer au brevet français No. 2 401 888. Les problèmes précités peuvent être résolus en utilisant une installation d'infiltration conforme à l'invention dont un mode de réalisation est illustré par la figure 2. Cette installation comprend de façon classique un induit en graphite 11 logé à l'intérieur d'une enceinte métallique étanche 12 et délimitant une chambre de réaction 15. A l'intérieur de l'enceinte 12, l'induit 11 est entouré d'un inducteur métallique 13 avec interposition d'un isolant thermique 14. Conformément à une caractéristique de l'invention, l'induit 11 constitue une structure étanche. Il est sous forme d'un cylindre d'axe vertical fermé à sa partie inférieure par un fond 20 solidaire de la paroi latérale et à sa partie supérieure par un couvercle amovible 21 qui s'appuie sur le rebord supérieur de la paroi latérale de l'induit. A l'intérieur de la chambre 15, les pièces à densifier sont placées sur un plateau 16 pouvant tourner autour d'un axe vertical confondu avec celui de l'induit 11 et de l'inducteur 13. La rotation du plateau 16 est commandée au moyen d'un moteur (non représenté) couplé à un arbre 23 traversant la paroi inférieure de l'enceinte 12 et le fond 20 de l'induit et fixé au plateau 16 à la face inférieure de celui-ci. L'alimentation de la chambre 15 en gaz réactifs, par exemple du MTS et de l'hydrogène H2 servant de catalyseur pour le dépôt de carbure de silicium par décomposition du MTS, est réalisée par une canalisation 17 qui traverse la paroi de l'enceinte 12 et aboutit à la partie supérieure de la chambre, à travers le couvercle 21. L'extraction des gaz hors de la chambre 15 est réalisée au moyen d'une ou plusieurs canalisations 19a qui s'ouvrent à la partie inférieure de la chambre 15 et traversent le fond de l'induit 20 et la paroi inférieure de l'enceinte. Dans l'exemple illustré, les gaz sont évacués de la chambre 15 par un passage 24 à section annulaire entourant l'arbre 23 et raccordé à une canalisation 19a à l'extérieur de l'enceinte 12. Les gaz réactifs entrant dans la chambre 15 parviennent tout d'abord au contact de plateaux de préchauffage 25. Ceux-ci se présentent par exemple sous forme de plaques perforées superposées. Les plateaux de préchauffage étant situés à l'intérieur de la chambre de réaction, ils sont en permanence à la température régnant dans celle-ci, température déterminée de manière à permettre une infiltration optimale. Les gaz réactifs passant à travers les plateaux de préchauffage 25 sont donc portés par ceux-ci à la température voulue avant de venir au contact des pièces à densifier. Les plateaux de préchauffage 25 ont également pour fonction de piéger les dépôts parasites, l'expérience ayant montré que ceux-ci ont tendance à se former sur les premières surfaces rencontrées par les gaz réactifs lorsqu'ils ont atteint la température de décomposition. En raison de leur emplacement à la partie supérieure de la chambre de réaction, Ies plateaux de préchauffage 25 sont facilement accessibles après enlèvement du couvercle 21 pour permettre leur nettoyage périodique. Bien que l'on ait ci-avant envisagé l'utilisation de plaques perforées, le dispositif de préchauffage pourra bien entendu prendre toute autre forme apte à assurer un préchauffage des gaz réactifs et un piégeage des dépôts parasites par contact avec les gaz réactifs dès leur entrée dans la chambre de réaction. Le volume situé autour de l'induit 11 à l'intérieur de l'enceinte 12 est balayé en permanence par un gaz neutre, tel que de l'azote N2, amené par une canalisation 18 et extrait par une canalisation 19b. On forme ainsi un tampon de gaz neutre autour de la chambre de réaction. Lorsque des gaz présentant certains dangers sont introduits dans la chambre de réaction, comme par exemple l'hydrogène H2 en raison de son caractère explosif, le tampon de gaz neutre assure une protection contre les fuites éventuelles hors de la chambre de réaction. A l'extérieur de l'enceinte, les canalisations 19a et l9b se rejoignent pour former une canalisation d'évacuation unique 19 qui est raccordée à un dispositif de pompage 26. Ce dernier permet de maintenir dans la chambre de réaction 15 la pression à la faible valeur nécessaire à l'infiltration. Les pressions régnant dans l'enceinte 12 à l'intérieur et à l'extérieur de l'induit 11 sont maintenues à des valeurs égales du fait de la liaison entre les canalisations 19a et 19b. On évite ainsi l'établissement d'une pression différentielle qui pourrait favoriser une fuite de gaz neutre à l'intérieur de la chambre de réaction ou une fuite de gaz réactifs à l'extérieur de celle-ci. Le dispositif de pompage 26 est du type à anneau liquide. La présence d'espèces chimiques difficiles à manipuler comme le MTS non décomposé et l'acide chlorhydrique parmi les gaz extraits du four d'infiltration n'autorise pas l'utilisation de pompes à palettes sans précautions particulières telle que l'utilisation de pièges à azote liquide pour transformer le MTS et l'acide chlorhydrique en solides. Mais une telle solution présenterait sur le plan industriel divers inconvénients: nettoyages fréquents des pièges à azote liquide, surveillance du niveau d'azote liquide, corrosion de la pompe, prix de revient élevé. Ces inconvénients sont évités grâce à l'emploi d'un dispositif de pompage à anneau liquide. Les pompes à anneaux liquides sont connues en elles-mêmes. Elles consistent à mettre en mouvement un liquide qui, par cavitation, crée une dépression. De préférence, le dispositif de pompage 26 est à anneau d'eau et comprend une ou plusieurs pompes en série. La ou les pompes peuvent fonctionner dans une configuration à eau perdue (circuit d'eau ouvert) ou à eau recyclée (circuit d'eau fermé). Dans ce dernier cas, lorsque de l'acide chlorhydrique est présent dans les gaz pompés, il convient de surveiller l'acidité de l'eau de service. Ceci peut être réalisé en injectant une base, par exemple de la soude pour neutraliser en continu l'acide chlorhydrique présent dans le circuit d'eau. La figure 3 montre un dispositif de pompage à anneau d'eau avec une configuration à eau recyclée. La pompe à anneau d'eau 26 reçoit, d'une part, les gaz extraits du four d'infiltration (MTS, acide chlorhydrique, hydrogène et azote) et, d'autre part, l'eau de service aspirée d'un bac de recyclage 27. L'eau et les gaz en sortie de la pompe 26 sont amenés à un bac de décantation 28. Les gaz restants (essentiellement l'hydrogène et l'azote) sont évacués du bac 28 par une conduite 34 tandis que l'eau est ramenée du bac de décantation au bac de recyclage 27. Pour éviter un échauffement progressif de l'eau de service par le contact avec les gaz provenant du four d'infiltration, et par l'énergie dissipée par la pompe, un serpentin de refroidissement 29 est disposé dans le bac et est parcouru par un fluide de refroidissement qui circule en circuit fermé entre le serpentin 29 et un groupe frigorifique 30. Le contrôle de l'acidité de l'eau est réalisé au moyen d'une sonde 31 de mesure de pH qui fournit un signal représentatif du pH de l'eau à l'intérieur du bac de recyclage. Un circuit de régulation (non représenté) reçoit le signal de la sonde 31 pour commander l'injection de soude dans le bac 27 au moyen d'une pompe 32 lorsque le pH descend en-dessous d'un seuil déterminé. On notera par ailleurs que le MTS non décomposé présent dans les gaz extraits conduit, par réaction avec l'eau, à la formation de silice. Le dépôt de celle-ci dans les canalisations, avec un risque d'obstruction à plus ou moins long terme, est évité grâce au balayage des canalisations par de l'azote N2 amené dans la canalisation 19 immédiatement en amont de la pompe 26. Le fonctionnement de l'installation décrite ci-avant découle à l'évidence de ce qui précède. Les gaz réactifs préchauffés à la température voulue grâce aux plateaux de préchauffage 25 viennent au contact des pièces à densifier disposées sur le plateau tournant 16 pour former le dépôt voulu au sein de la porosité de ces pièces. L'écoulement des gaz réactifs n'étant pas uniforme dans toute la section de la chambre de réaction, la rotation du plateau 16 permet malgré tout l'obtention de dépôts uniformes au sein des pièces à densifier. Comme déjà indiqué, l'installation selon l'invention trouve une application particulièrement intéressante pour la réalisation industrielle de pièces composites à matrice en carbure de silicium. Mais l'installation selon l'invention est également utilisable pour la réalisation de pièces composites à matrice en un matériau différent du carbone autre que le carbure de silicium, par exemple en alumine, l'infiltration chimique en phase vapeur de l'alumine étant réalisée par réaction de chlorure d'aluminium avec du dioxyde de carbone et de l'hydrogène donnant notamment de l'alumine et de l'acide chlorhydrique dans des conditions particulières de température et de pression. 259411 REVENDICATIONS 1. Installation pour la densification de pièces poreuses par infiltration chimique en phase vapeur d'un matériau réfractaire autre que le carbone, installation comportant un induit en graphite (11) délimitant une chambre de réaction (15), un inducteur (13) entourant l'induit pour chauffer la chambre de réaction par induction, une enceinte étanche (12) contenant l'induit et l'inducteur, des moyens d'alimentation de la chambre de réaction en gaz réactifs, des moyens d'alimentation de l'enceinte en gaz inerte et des moyens (19a, 19b, 19, 26) d'extraction de gaz hors de la chambre de réaction et de l'enceinte, caractérisée en ce que l'induit (11) constitue une structure étanche à l'intérieur de l'enceinte (12) et est raccordé à l'extérieur de l'enceinte aux moyens d'alimentation en gaz réactifs, l'enceinte (12) est alimentée en gaz inerte pour maintenir en permanence une circulation de gaz inerte dans l'espace entourant l'induit à l'intérieur de l'enceinte, et l'évacuation de produits de réaction hors de la chambre de réaction (15) et du gaz inerte hors de l'enceinte est réalisée au moyen de canalisations d'évacuation respectives (19a, 19b) qui se rejoignent à l'extérieur de l'enceinte, de sorte que des pressions sensiblement égales sont maintenues dans l'enceinte à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre de réaction (15). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'extraction de gaz comportent un dispositif (26) de pompage à anneau liquide. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de pompage comprend au moins une pompe à anneau d'eau, un circuit fermé dans lequel circule l'eau de service de la pompe et des moyens de contrôle de l'acidité de l'eau. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de préchauffage (25) disposé à l'intérieur de la chambre de réaction (15) pour préchauffer les gaz réactifs sur leur trajet entre l'entrée dans la chambre de réaction (15) et les pièces à densifier. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'induit (11) a une forme cylindrique d'axe vertical et est muni à sa partie supérieure d'un couvercle amovible (21). 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation en gaz réactifs de la chambre de réaction s'ouvrent dans la partie supérieure de celle-ci tandis que l'évacuation des gaz hors de la chambre de réaction est réalisée à la partie inférieure de celle-ci, l'écoulement des gaz dans la chambre de réaction étant réalisé du haut vers le bas.