Brevet FR2659598A1 — publié le 19910920

Procédé de formation d'une ligne de pliage ou de séparation lors de la fabrication d'une pièce en matériau composite. La présente invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite. Plus particulièrement, la présente invention concerne la fabrication de pièces de structure comprenant l'élaboration d'une préforme fibreuse, ayant sensiblement la forme de la pièce à réaliser, et la densification de la préforme par une matrice obtenue par infiltration chimique en phase vapeur au sein de la porosité de la préforme Cette technique est bien connue, notamment pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermo- structuraux tels que les composites carbone-carbone et les composites à matrice céramique. La préforme fibreuse est réalisée à partir de textures fibreuses, telles que des fils, tissus, voiles de fibres, feutres, nappes de fibres Ces textures peuvent être bobinées ou disposées en strates superposées Dans ce dernier cas, les strates peuvent être liées entre elles par aiguilletage ou implantation de fils. Après son élaboration, la préforme est généralement placée dans un outillage afin d'être densifiée par infiltration chimique 'en phase vapeur L'outillage, habituellement en graphite, a pour fonction de maintenir la préforme dans La forme voulue, tout en assurant, le cas échéant, un compactage de la préforme afin d'obtenir le taux volumique de fibres désiré (pourcentage du volume apparent de la préforme effectivement occupé par les fibres). Lorsque la densification de la préforme est suffisante pour que la consolidation de celle-ci soit effective, la préforme peut être retirée de l'outillage avant de poursuivre l'infiltration en phase vapeur jusqu'à atteindre le degré de densification souhaité. Des problèmes difficiles ou coûteux à résoudre sont rencontrés lorsque les pièces à réaliser sont de forme complexe. Pour des pièces de grandes dimensions, une technique connue consiste à réaliser séparément différentes parties d'une pièce à fabriquer puis à assembler ces parties Les différentes parties peuvent être réalisées simplement au stade de la consolida- tion, c'est-à-dire incomplètement densifiées La pièces est a Lors obtenue par assemblage de ses parties constitutives et co- infiltration de ce L Les-ci pour atteindre Le niveau de densification vou Lu La matrice co-infi Ltrée au sein des différentes parties réa Lise un "co L Lage" de ce L Les-ci du fait de sa continuité aux interfaces entre ces parties. Cette technique nécessite donc La réalisation séparée de plusieurs parties constitutives de La pièce En outre, La Liaison entre ces parties dans La pièce terminée peut s'avérer insuffi- sante. Pour des pièces de forme comp Lexe de petites dimensions, i L est nécessaire de recourir à des outi L Lages spécifiques et/ou de procéder à un usinage substantiel des pièces densifiées, ce qui a Lourdit considérablement Le coût. On notera encore que Les techniques connues évoquées ci- avant ne permettent pas d'obtenir des pièces en matériau composite ayant une Liaison soup Le intégrée, c'est-à-dire des pièces déformab Les. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités en proposant un procédé permettant La formation d'une Ligne de p Liage ou de séparation Lors de La fabrication d'une pièce en matériau composite. P Lus précisément, Le procédé conforme à L'invention est caractérisé par Le fait que L'on réa Lise sur La préforme un masquage Le Long de La ou chaque Ligne de p Liage ou de séparation afin de s'opposer à L'infi Ltration du matériau constitutif de La matrice dans La ou chaque zone masquée de La préforme, de sorte qu'après densification La ou chaque zone masquée de La préforme constitue une Liaison soup Le intégrée à La préforme densifiée. Le masquage de La ou chaque zone de La préforme peut être maintenu jusqu'à ce que Le degré de densification fina L soit atteint, de manière à obtenir une pièce en matériau composite avec une ou plusieurs Liaisons soup Les intégrées constituant une ou plusieurs Lignes d'articulation. Le masquage de La ou chaque zone de La préforme peut au contraire être supprimé après densification partie L Le ou conso Li- dation des parties non masquées de la préforme La ou les zones masquées constituent alors des liaisons souples qui autorisent le pliage de la préforme pour amener celle-ci à une forme correspon- dant à celle de la pièce à réaliser L'infiltration de la préforme est alors poursuivie jusqu'à atteindre le degré de densification final souhaité, ce qui rigidifie les liaisons du fait de la co- infiltration de celles-ci et des parties préalablement consolidées. Le procédé conforme à l'invention peut encore trouver une application pour fabriquer plusieurs pièces à partir d'une seule préforme, les liaisons souples étant formées le long de lignes de séparation entre les parties de la préforme correspondant aux différentes pièces Lors de la densification, les liaisons souples confèrent à la préforme la capacité de déformation nécessaire pour maintenir les différentes parties de celle-ci sur un conformateur. Après densification, des découpes sont réalisées le long des lignes de séparation pour obtenir les différentes pièces. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, a titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 illustre très schématiquement un premier mode de réalisation d'un masquage partiel d'une préforme pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 2 illustre très schématiquement un autre mode de réalisation d'un masquage; les figures 3 A et 3 B illustrent des étapes successives d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans une première application de celui-ci; les figures 4 A à 4 C illustrent des étapes successives d'un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans une deuxième application de celui-ci; et les figures 5 A et 5 B illustrent un troisième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans une troisième application de celui-ci. La figure 1 illustre une préforme 10 destinée à la fabri- cation d'une pièce en matériau composite Dans cet exemple, la préforme 10 est formée par empilement à plat de strates 12 d'une texture fibreuse bidimensionnelle Cette texture peut être notam- ment constituée par un tissu ou une nappe de fils, ou encore par un complexe formé par une couche de tissu ou une nappe de fils pré- aiguilletée avec un voile de fibres Une liaison entre les strates 12 peut être réalisée par implantation de fils à travers les strates superposées ou par aiguilletage de celles-ci. Une ligne de pliage ou de séparation est réservée sur la préforme par masquage d'une zone de celle-ci correspondant à la ligne de pliage ou de séparation à former. Dans l'exemple illustré par la figure 1, le masquage est réalisé au moyen de deux caches 14 en forme de peignes ou brosses appliqués en regard l'un de l'autre sur les deux faces opposées de la préforme, le long de l'emplacement de la ligne de pliage ou de séparation à réserver. Chaque cache 14 comprend une partie en forme de bande 16 dont la largeur correspond à celle de la ligne à former et qui est appliquée contre une face de la préforme 10 Du côté o elle est en contact avec la préforme, la bande 16 est munie de dents 18 dont la longueur est égale ou pratiquement égale à l'épaisseur de la préforme Les dents 18 d'un cache pénètrent dans la préforme et se logent chacune entre deux dents de l'autre cache A chacune de ses extrémités, l'un au moins des caches 14 présente un rebord 19 destiné à être appliqué contre le côté correspondant de la préforme De la sorte, les bandes 16 et les dents 18 délimitent un volume pratiquement fermé 10 a à l'intérieur de la préforme 10. Lors de la densification de la préforme par infiltration chimique en phase vapeur, le volume 10 a est inaccessible, ou quasiment inaccessible au flux gazeux d'infiltration, empêchant la densification du volume 10 a de la préforme. Lorsque les caches 14 sont retirés après densification, ou au moins après consolidation de la préforme, ils laissent entre les parties densifiées et rigidifiées de la préforme une zone non densifiée 10 a constituant une liaison souple intégrée à la préforme. Les caches 14 sont en un matériau résistant à l'agressi- vité du flux gazeux utilisé pour l'infiltration chimique en phase vapeur et à la température à laquelle l'infiltration est réalisée. Le matériau constitutif des caches 14 est par exemple le graphite ou le molybdène. Le maintien en place des caches 14 est assuré par le simple engagement des dents 18 dans la préforme fibreuse Si nécessaire, les caches 14 pourront être reliés l'un à l'autre, à leurs extrémités, par des brides réalisées dans le même matériau. La figure 2 illustre une préforme 20 analogue à la préforme 10 de la figure 1 sur laquelle une ligne de pliage ou de séparation est réservée par dépôt local d'un matériau de masquage à l'emplacement de cette ligne Le dépôt en forme de bande 24 est effectué de chaque côté de la préforme 20. Le matériau constitutif des depôts 24 est choisi parmi les matériaux compatibles avec les conditions d'infiltration chimique en phase vapeur et susceptibles d'être ultérieurement éLiminés sans dommage pour la pièce en matériau composite obtenue. Lorsque le matériau composite est de type thermostructural avec une préforme et une matrice en carbone ou en céramique, les masques 24 peuvent être réalisés en molybdène, lequel peut être éLiminé par voie chimique, notamment par dissolution dans un bain d'acide tel que l'acide fluorhydrique. Les masques 24 sont formés par fusion d'un fil ou d'une bande de molybdène De la sorte, le molybdène se dépose non seule- ment en surface de la préforme 10, mais aussi s'infiltre à l'inté- rieur de celle-ci Après densification et élimination du molybdène, on dispose ainsi d'une liaison souple intégrée à la préforme den- sifiée. Les figures 3 A et 3 B illustrent l'utilisation du procédé conforme à l'invention pour réaliser une pièce en matériau com- posite constituée de deux parties articulées l'une par rapport à l'autre. Une préforme fibreuse 30 constituée par un empilement de strates à plat est munie d'un masque 34 à l'emplacement de l'arti- culation à ménager dans la pièce finale (figure 3 A). La préforme 30 est ensuite densifiée par infiltration chimique en phase vapeur, jusqu'à atteindre le degré de densifica- tion souhaité Au cours d'une première phase de densification, La préforme 30 est Le cas échéant maintenue dans un outi L Lage qui peut être simplement constitué de deux p Lateaux entre Lesque Ls La préforme est enserrée. Après La fin de La densification, Le masque 34 est retiré, Laissant une Liaison soup Le 30 a intégrée à La pièce 35 obtenue La Liaison 30 a constitue une articulation entre Les deux parties densifiées 351 352 situées de part et d'autre de ce L Le-ci. Les figures 4 A à 4 C i L Lustrent L'uti Lisation du procédé conforme à L'invention pour La réalisation d'une pièce en matériau composite de forme comp Lexe et de dimensions relativement grandes, en L'espèce une carcasse de siège d'hélicoptère en matériau com- posite à matrice céramique procurant une protection contre Les projectiles, éventue L Lement en association avec d'autres revête- ments. La préforme fibreuse 40 (figure 4 A) est constituée par un empilement de strates à p Lat découpées pour présenter La forme du siège 45 (figure 4 C) développé à p Lat On retrouve dans La préforme Les parties 401 à 407 qui correspondent au siège proprement dit 451 au dossier 452 ' à La partie de Liaison 453 entre Le siège et Le dossier, à des panneaux Latéraux 454 et 455 au niveau du siège et à des panneaux Latéraux 456 ' 457 au niveau du dossier. Des masques 441 à 446 sont disposés sur La préforme 40 au niveau des Lignes délimitant Les différentes parties de ce L Les-ci, et une première phase d'infiltration en phase vapeur de La préforme est réa Lisée de manière à consolider ces différentes parties La préforme peut être maintenue dans un outi L Lage Lors de cette phase de consolidation et en être retirée à La fin de La consolidation. L'outi L Lage peut simplement consister en deux p Lateaux entre Lesque Ls La préforme est enserrée. Les masques 441 à 446 sont ensuite retirés, Laissant des Liaisons soup Les entre Les parties consolidées de La préforme. Grâce à ces Liaisons soup Les formant des Lignes de p Liage, La préforme 40 est p Liée pour être amenée dans une forme correspondant à ce L Le du siège à réa Liser (figure 4 B). L'infiltration en phase vapeur est a Lors poursuivie, ce qui provoque la densification et la rigidification des liaisons souples et termine la densification des parties du siège 45 (figure 4 C) Lors de cette densification finale, au moins jusqu'à consoli- dation des liaisons souples, un maintien des différentes parties du siège dans les positions qu'elles occupent après pliage peut être assuré au moyen d'un outillage Celui-ci peut à l'évidence être beaucoup plus Léger que celui qui serait nécessaire si les différentes parties du siège n'étaient pas consolidées Compte tenu du coût éLevé des outillages en graphite, le procédé selon l'invention permet donc une substantielle économie. Les figures 5 A et 5 B illustrent encore une autre application du procédé selon l'invention. Dans ce cas, plusieurs pièces sont réalisées à partir d'une même préforme fibreuse 50 constituée par un empilement de strates à plat Des masques 54 sont disposés sur la préforme aux emplacements de lignes de séparation entre parties 501, 502 ' de la préforme correspondant aux différentes pièces à réaliser. Dans l'exemple illustré, les pièces à réaliser ont la forme de secteurs de cylindre (portions de cylindre limitées par deux génératrices); il s'agit par exemple de volets de tuyère. Après mise en place des masques 54, la préforme 50, maintenue à plat est soumise à une première phase d'infiltration en phase vapeur. Après consolidation des parties de la préforme situées entre les masques 54, ces derniers sont retirés, laissant des liaisons soup Les entre les parties de préforme consolidées corres- pondant aux pièces à réaliser (figure 5 A) La préforme 50 est alors placée et éventuellement tendue sur un conformateur cylindrique ou mandrin 53 Les liaisons souples permettent à la préforme 50 d'épouser la forme du mandrin Dans la mesure o la première conso- lidation est légère, la tension de la préforme 50 sur le mandrin peut amener une conformation des parties consolidées 501, 502, Le mandrin remplit ainsi une fonction d'outillage avec une structure beaucoup plus simple que celle des outillages tradition- nels en graphite de type poinçon-matrice (figure 5 B). L'infiltration de la préforme 50 disposée sur le confor- mateur 53 est ensuite réalisée jusqu'à atteindre le degré de densification final souhaité Les pièces obtenues sont alors séparées les unes des autres par découpe Le long des lignes de séparation. En variante, après une deuxième phase d'infiltration réalisant une consolidation plus poussée, la préforme peut être retirée du mandrin et l'infiltration est poursuivie après sépara- tion des parties de préforme par découpe le long des lignes de séparation. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant l'élaboration d'une préforme fibreuse et la densifica- tion de la préforme par infiltration chimique en phase vapeur d'une matrice au sein de la porosité de la préforme, caractérisé en ce que l'on réalise sur la préforme un masquage le long de l'emplacement d'une ou de chacune de ligne(s) de pliage ou de séparation, afin de s'opposer à l'infiltration du matériau cons- titutif de la matrice dans la ou chaque zone masquée de la préforme, de sorte qu'après densification la ou chaque zone masquée de la préforme constitue une liaison souple intégrée à la préforme densifiée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masquage est réalisé au moyen de caches disposés de chaque côté de la préforme et munis de dents pénétrant dans la préforme afin de former une barrière vis-à-vis du flux gazeux utilisé lors de l'infiltration de la préforme. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masquage est réalisé par dépôt sur la préforme d'un matériau susceptible d'être éliminé après infiltration de la préforme. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le masquage de la préforme est conservé jusqu'à ce que le degré de densification final désiré soit atteint, de manière à obtenir, après suppression du masquage, une pièce en matériau composite avec une ou plusieurs liaison(s) souple(s) intégrée(s) constituant une ou plusieurs ligne(s) d'articulation. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que: le masquage de la préforme est conservé pendant une première phase de la densification de la préforme, au moins jusqu'à consolidation des parties de la préforme non masquées; puis le masquage est supprimé de manière à obtenir une ou plusieurs liaisons souples intégrées dans la préforme conso- lidée; la préforme est ensuite amenée à une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser par pliage le long de ligne(s) correspondant à la (ou aux) liaison(s) souple(s); et la densifica- tion de la préforme est poursuivie, provoquant la rigidification de la (ou des) liaison(s) soup Le(s). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour la fabrication de plusieurs pièces en matériau composite à partir d'une seule préforme, le masquage de la préforme est réalisé pour aménager des liaisons souples le long des lignes de séparation entre des parties de la préforme correspondant aux pièces à réaliser.