Brevet FR2645071A1 — publié le 19901005

Procédé pour la réalisation de trous dans une pièce en matériau composite La présente invention concerne un procédé pour la réalisation de trous dans une pièce en matériau composite, notamment en matériau composite thermostructural. Les matériaux composites thermostructuraux sont essentiellement constitués par une texture de renfort fibreuse densifiée 9 coeur par une matrice, les fibres de la texture de renfort et la matrice étant sélectionnées en vue d'applications demandant d'excellentes propriétés mécaniques à des températures élevées. Des exemples typiques de matériaux composites thermostructuraux sont les matériaux carbone-carbone (texture de renfort en fibres - de carbone et matrice en carbone), carbone-céramique (structure -de renfort en fibres de carbone et matrice au moins en partie en céramique, par exemple carbure de silicium) et céramique-céramique (structure de renfort en fibres céramiques et matrice en céramique). La réalisation de certaines pièces en matériaux composites thermostructuraux pourrait être envisagée mais pose un problème particulier lorsque ces pièces comportent un grand nombre de trous. Il en est ainsi en particulier pour une chambre de canal post-combustion de turboréacteur qui se présente sous forme d'une pièce tubulaire le long de laquelle sont répartis plusieurs milliers de trous de quelques millimètres de diamètre. Ces trous sont destinés à permettre le passage d'air comprimé provenant du compresseur du réacteur en direction de l'intérieur de la chambre de canal de post-combustion en la refroidissant et en créant le long de ses parois une couche d'air de protection thermique. Un même effet de refroidissement et de protection thermique est produit également dans des chambres de combustion de générateurs de gaz par admission de mélange air comprimé-carburant (kérosène) au travers des parois des chambres. On notera encore que la réalisation d'échangeurs thermiques rotatifs de turbines à gaz nécessite aussi la réalisation de milliers de trous de petit diamètre. Actuellement, la réalisation de tels trous dans des matériaux composites thermostructuraux tels que les C!C (carbone-carbone) ou CMC (composites à matrice ceramique) n'est possible industriellement que par découpe laser ou au jet d'eau à haute pression. Ces deux types de découpe ont pour inconvénients de couper les fibres de la texture de renfort, ce qui affecte les caractéristiques mécaniques du matériau composite, et de détériorer le matériau au niveau de l'alésage du trou par oxydation ou délaminage. Le délaminage consista dans la décohésion du matériau par séparation mutuelle des couches de la texture de renfort lorsque celle-ci est sous forme stratifiée, par exemple sous forme d'un empilement de strates de tissu ou de feutre. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir un procédé pour la réalisation de trous dans une pièce en materiau composite sans affecter de façon sensible les propriétés mécaniques du inatériau et sans détériorer celui-ci. Ce but est atteint au moyen d'un procédé qui comprend les étapes consistant à : - réaliser une texture de renfort fibreuse constituant une préforme de la pièce à réaliser, - implanter dans la texture, aux emplacements des trous à réaliser dans la pièce, des inserts ayant la fonne des trous à réaliser, l'implantation des inserts étant réalisée sans destruction des fibres de la texture, - réaliser une pré-densification de la texture munie des inserts, - éliminer les inserts, et - poursuivre la densification de la texture jusqu'à obtention du matériau composite désiré. L'implantation des inserts est réalisée en écartant les fibres de la texture de renfort, sans les endommager. Ainsi, la formation des trous ne s'accompagne pas d'une détérioration des propriétés mécaniques. De plus, le compactage des fibres autour de chaque trou qui résulte de l'implantation de l'insert apporte une meilleure tenue à l'érosion lorsque les trous sont parcourus par des gaz au cours de l'utilisation de la pièce. Un avantage supplémentaire du procédé conforme à l'invention tient à ce que les parois des trous laissés après élimination des inserts sont lisses et ne nécessitent aucune retouche d'usinage. L'élimination des inserts est réalisée par retrait de ceux-ci de la texture pre-densifiée ou par un traitement chimique ou thermique. Les inserts peuvent notamment être en un métal susceptible d'être éliminé par immersion dans un bain d'acide. Le matériau constitutif des inserts est toujours choisi pour ne pas affecter ou polluer la matrice lors de la pré-densification. D'autres particularités et avantages du procédé selon 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 - les figures i à 4 illustrent différentes étapes successives d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et - les figures 5 et 6 illustrent des variantes de réalisation de l'implantation d'inserts lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Un procédé conforme à l'invention pour la réalisation de trous dans une pièce en matériau composite en forme de plaque est illustré par les figures 1 à 4. Une texture de renfort fibreuse 10 (figure 1) constituant une préforme de la pièce à réaliser est d'abord formée, sans prXsenter de trous. La formation de la texture de renfort peut être réalisée par tout procédé connu, par exemple par un empilement de strates de tissu (2D), de couches de tissu liées entre elles par siguilletage (30) ou un multicouche obtenu par tissage, avec ou sans outillage de maintien. Des inserts 12 en forme de tiges cylindriques à bout conique sont implantés dans la texture 10 aux emplacements et avec l'orientation (normale, sur le dessin) désirés pour les trous que doit présenter la pièce à réaliser (figure 2). Les inserts sont implantés en étant enfoncés dans la texture par un mouvement rectiligne uniforme parallèlement à leur axe. Le bout conique de chaque insert a une extrémité profilée pour écarter les fibres de la texture sans les couper ou les casser. fl se produit de la sorte un compactage localisé de la texture autour de chaque insert. De préférence, l'implantation des inserts est réalisée par des moyens automatiques tels qu'un robot programmé. De la sorte, l'implantation est effectuée de façon rapide, précise et parfaitement reproductible d'une pièce à l'autre. Après mise en place des inserts 12, la texture est pré-densifiée par introduction à coeur du matériau constitutif de la matrice du matériau composite ou du matériau constitutif de la première phase de la matrice dans le cas d'une matrice à plusieurs phases. La pré-densification est réalisée de façon connue en soi par infiltration en phase vapeur ou par imprégnation liquide. Les inserts 12 sont ensuite éliminés de la texture pré-densifiée sans détérioration de celle-ci. A cet effet, les inserts 12 peuvent être en un matériau pouvant être éliminé par un traitement chimique ou thermique laissant intacts la texture de renfort et le matériau de la matrice déposé au sein de la texture lors de l'étape précédente de pré-densification. Dans le cas envisage de pièce en matériau composite thermostructural dont la texture de renfort et la matrice sont en carbone ou en céramique, on peut utiliser des inserts 12 métalliques, par exemple en molybdène qui sont élimines par immersion de la texture pre-densifiee dans un bain d'acide 14 figure 3). En variante, les inserts 12 peuvent être en un matériau pouvant être élimine thermiquement par fusion ou volatilisation, à une température suffisamment basse pour ne pas affecter la texture de renfort et la matrice déjà mise en place. Toujours en variante, les inserts peuvent être éliminés de la texture pré-densifiee en étant retirés de celle-ci par traction. Les inserts sont par exemple alors constitués par des fils metalliques, tels que des fils de cuivre, dont une partie reste en saillie è l'extérieur de la texture pour pouvoir être agrippée. Après élimination des inserts 12, la densification de la texture de renfort est poursuivie, également par infiltration en phase vapeur ou imprégnation liquide, jusqu'à obtention de la densité voulue. On obtient alors la pièce désirée en matériau composite percée de trous 18 (figure 4). Comme indiqué ci-dessus, l'élimination des inserts est réalisée après densification partielle de la texture de renfort et avant densification complète. Une pré-densification est nécessaire pour assurer une cohésion suffisante de la texture de renfort évitant toute déformation au niveau des trous après élimination des inserts. Une densification complémentaire après élimination des inserts est nécessaire pour assurer une densification à coeur, en particulier au niveau des trous, ces derniers facilitant alors l'accès pour le matériau de la matrice au sein de la porosité résiduelle de la texture de renfort. Le complément de densification après élimination des inserts permet aussi l'obtention de trous 9 parois lisses ne demandant pas de reprise d'usinage.En outre, comme déjà indiqué, le compactage localisé de la texture produit autour des trous par l'implantation des inserts se traduit par une augmentation du taux de fibres qui assure une meilleure tenue du matériau composite à l'érosion lorsque les trous sont utilisés pour le passage de gaz. Bien que l'on ait envisagé ci-avant la réalisation de trous dans une pièce en forme de plaque, il va de soi que le procédé selon l'invention est applicable également dans le cas de pièces cylindriques ou tubulaires. Les inserts sont alors implantés dans la texture de renfort formée par exemple par enroulement d'une bande de tissu sur elle-meme. L'implantation des inserts est réalisée à travers la paroi de la texture de renfort radialement ou suivant toute autre direction, en fonction de l'orientation souhaitée des trous. En outre, des inserts ayant des formes autres que des tiges métalliques pleines à bout conique peuvent être utilisés. Ainsi, le figure 5 montre des inserts 22 sous forme de tiges cylindriques pleines à bout biseauté. L'implantation de chaque insert 22 dans la texture fibreuse 20 s'accompagne d'un fléchissement de l'insert lorsqu'elle est réalisée par simple poussée sur l'insert. Il est alors possible de réaliser des trous de forme non rectiligne. Le formation de trous rectilignes par implantation d'inserts cylindriques à bout biseauté est possible en accompagnant l'implantation de l'insert d'un mouvement de rotation de celui-ci autour de son axe. Quant à la figure 6, elle montre également des inserts 32 à bout biseauté mais sous forme de tubes, et non de tiges pleines. Comme précédemment, les inserts 32 sont entrains en rotation autour de leur axe tandis qu'il sont implantés, de manière à former des trous rectilignes. Dans ce qui precède, l'implantation des inserts est réalisée dans une texture de renfort sèche, c'est-à-dire une texture de renfort dont les fibres ne sont pas imprégnées, pour faciliter la pénétration des inserts. Dans certains cas, notamment pour la réalisation de pièces en matériau composite de forme complexe, la texture de renfort est imprégnée par un liant thermoplastique, tel qu'une résine, qui permet de maintenir la texture en forme, c'est-à-dire de réaliser une texture de renfort constituant une préforme complète de la pièce complexe à réaliser. Afin de pouvoir implanter des inserts dans une texture imprégnée, un ramollissement local de la résine est nécessaire. Le ramollissement est produit par chauffage de l'insert à implanter et/ou par chauffage local de la texture de renfort. Le chauffage peut être réalisé par ultrasons transmis aux inserts lors de leur pénétration pour produire un ramollissement localisé de la résine. On notera enfin qu'en fonction du résultat recherché, les inserts pourront avoir une section polygonale ou elliptique plutôt que circulaire. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation de trous dans une pièce en matériau composite constituée par une texture de renfort fibreuse densifiée par une matrice, procédé comprenant la réalisation de la texture de renfort constituant une préforme de la pièce à réaliser et étant caractérisé en ce qu'il comprend ensuite les étapes qui consistent à - implanter dans la texture de renfort (10) , aux emplacements de trous (18) à réaliser dans la pièce, des inserts (12) ayant la forme des trous à réaliser, l'implantation des inserts étant réalisée sans destruction des fibres de la texture, - réaliser une pré-densification de la texture munie des inserts, - éliminer les inserts, et - poursuivre la densification de la texture jusqu'à obtention du matériau composite désiré. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inserts sont en un matériau susceptible d'être éliminé par traitement chimique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on implante dans la texture des inserts métalliques susceptibles d'être éliminés à l'acide. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inserts sont en un matériau susceptible d'être éliminé par traitement thermique. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élimination des inserts est réalisée par retrait de ceux-ci hors de la texture pré-densifiée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les inserts sont formés par des tiges cylindriques. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les inserts sont formés par des éléments tubulaires biseautés. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lors de leur implantation dans la texture, les inserts sont entrasses en rotation autour de leur axe. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 comprenant l'imprégnation de le texture de renfort par un liant thermoplastique, caractérisé en ce que les inserts sont implantés dans la texture imprégnée. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'implantation des inserts est réalisée en provoquant un ramollissement local du liant thermoplastique par application d'ultrasons aux inserts.