Brevet FR2685655A1 — publié le 19930702

Procédé de formation d'un passage étanche dans une pièce en matériau composite réfractaire, et application à la réalisation d'une structure en matériau composite réfractaire refroidie par circulation de fluide La présente invention concerne la formation d'un passage étanche dans une pièce en matériau composite réfractaire. Un domaine d'application particulier, mais non exclusif, de l'invention est la réalisation de structures en matériau composite réfractaire refroidies par circulation de fluide. Les matériaux composites réfractaires sont des matériaux comprenant un renfort fibreux, formé de fibres en matière réfractaire, densifié par une matrice également en matière réfractaire. La matière réfractaire constituant les fibres peut être du carbone ou une céramique (par exemple du carbure de silicium). I1 en est de même pour la matière constituant la matrice. La densification du renfort fibreux par la matrice consiste dans le comblement de Ia porosité initiale du renfort par la matière constitutive de la matrice. Cette densification peut être réalisée par imprégnation du renfort fibreux par un précurseur de la matrice et transformation ultérieure du précurseur; ainsi une matrice carbone peut être obtenue par imprégnation du renfort fibreuxpar une résine à taux de coke élevé, réticulation de la résine et pyrolyse. Une autre technique usuelle de densification consiste à réaliser un dépôt ou une infiltration chimique en phase vapeur. A cet effet, le renfort fibreux est placé dans une enceinte dans laquelle est admise une phase gazeuse qui, dans des conditions de température et pressions déterminées provoque un dépôt de la matière constitutive de la matrice sur les fibres du renfort, ce dépôt étant produit par décomposition de la phase gazeuse ou par réaction entre ses constituants au contact des fibres, dans tout le volume du renfort. Ainsi, une matrice en carbone peut être obtenue par décomposition d'un ou plusieurs hydrocarbures gazeux. Quelle que soit la technique utilisée pour la densification du renfort fibreux, le comblement de la porosité initiale de celui-ci n'est jamais complet. Il subsiste dans le matériau composite une porosité résiduelle. Les matériaux composites réfractaires sont remarquables par leurs propriétés thermostructurales, c'est-à-dire la combinaison d'une excellente tenue aux efforts mécaniques, qui leur permet de constituer des éléments structuraux, et la capacité de conserver cette tenue mécanique jusqu'à des températures relativement élevées. Toutefois, un refroidissement actif de pièces en matériau composite réfractaire doit être envisagé pour des utilisations à de très hautes températures (par exemple audelà de 1700in) pendant des durées relativement longues. Ainsi, pour réaliser une structure de protection thermique d'un déflecteur d'une enceinte toroïdale utilisée pour le confinement électromagnétique d'un plasma, il a été proposé de fixer des briques en matériau composite carbone/carbone ou C/C (renfort en fibres de carbone et matrice en carbone) sur des tubes métalliques dans lesquels circule un fluide de refroidissement. Les briques en matériau composite C/C assurent la protection thermique tandis que les tubes métalliques constituent à la fois le circuit du fluide de refroidissement et la structure donnant la tenue mécanique. L'utilisation de matériaux différents, d'une part un matériau composite réfractaire, d'autre part un matériau métallique, soulève des difficultés en raison des dilatations différentielles entre ces matériaux. Afin de profiter de la capacité des matériaux composites à constituer des éléments de structures, il pourrait être envisagé de faire circuler le fluide de refroidissement dans des canaux formés dans le matériau composite. 1l se pose alors un évident problème d'étanchéité en raison de la porosité résiduelle du matériau composite. Quant à l'intégration de tubes métalliques dans un matériau composite réfractaire, elle soulève d'autre difficultés liées aussi aux différences de coefficient de dilatation thermique entre les tubes et le matériau composite. Pour résoudre ce problème, il est proposé dans la demande de brevet français N- 90 08972 (numéro de publication 2 664 585, non publiée à la date de dépôt de la présente demande) de réaliser une structure en matériau composite avec une matrice dont la composition varie progressivement d'une matière réfractaire, du côté avant exposé aux températures les plus élevées, à une conductrice de la chaleur (par exemple métallique) du côté arrière. Des tubes métalliques sont intégrés dans la structure, dans la partie de celle-ci où la matrice est en matière conductrice de la chaleur, c'est à dire dans une partie de la structure où les contraintes thermiques sont minimisées. Les tubes métalliques sont mis en place avant que la densification du matériau composite soit complétée par introduction de la matière conductrice de la chaleur. La présente invention a pour but de fournir un procédé permettant la réalisation d'un passage étanche dans une pièce en matériau réfractaire. La présente invention a aussi pour but de fournir une structure de protection thermique en matériau composite réfractaire pouvant être refroidie par un fluide de refroidissement circulant dans au moins un passage formé dans la structure. Selon l'invention, la formation d'un passage étanche dans un pièce en matériau composite réfractaire comprend les étapes suivantes: - insertion, dans un trou de la pièce, d'une garniture tubulaire métallique avec interposition d'une brasure, et - chauffage pour effectuer le brasage de la garniture métallique sur la paroi du trou, de sorte que la garniture métallique définit un passage étanche, et que des dilatations différentielles d'origine thermique entre le matériau composite réfractaire et la garniture métallique peuvent être compensées par déformation plastique de cette dernière. Ce procédé permet de réaliser de façon très simple et peu coûteuse une structure en matériau composite réfractaire refroidie par circulation d'un fluide de refroidissement au sein de la structure. Par rapport à la solution consistant à fixer des briques de matériau composite réfractaire sur des tubes métalliques, la présente invention confère au matériau composite réfractaire non seulement le rôle de protection thermique mais aussi le rôle de structure portante. Le métal n'est utilisé qu'en tant que barrière étanche garnissant les passages où circule le fluide de refroidissement. Il en résulte par conséquent un poids nettement moins élevé, la densité du matériau composite étant bien inférieur à celle du métal. De plus, la sécurité est accrue du fait de l'absence du risque d'arrachement d'une brique de la protection thermique. En outre, les déformations d'origine thermique et, par conséquent, les contraintes qui en résultent, sont moindres avec une structure portante en matériau composite réfractaire qu'avec une structure portante en métal. A titre d'exemple, le coefficient de dilatation thermique d'un matériau composite C/C est environ 10 fois inférieur à celui du cuivre. Un mode particulier de réalisation de l'invention est décrit ci-après à titre indicatif mais non limitatif. I1 sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - les figures 1 et 3 illustrent les étapes de réalisation d'un passage étanche dans une pièce en matériau composite réfractaire suivant un procédé conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue très schématique en coupe, illustrant partiellement une installation de fusion thermonucléaire contrôlée; - la figure 5 montre une structure de protection thermique constituant une partie de la paroi de l'enceinte de la figure 4; - la figure 6 est une vue en élévation et en partie en coupe d'un élément de la structure de protection thermique de la figure 5 ; et - la figure 7 est une vue partielle en coupe suivant le plan VII-VII de la figure 6. Sur la figure 1, la référence 10 désigne une pièce en matériau réfractaire. Un trou 12 est usiné dans la pièce à l'emplacement d'un passage étanche à réaliser dans la pièce 10. Une garniture tubulaire métallique 14 revêtue sur sa surface extérieure d'une couche uniforme de brasure 16 est introduite dans le trou 12 (figure 2). L'ensemble est ensuite porté à la température nécessaire au brasage et y est maintenu pendant la durée voulue pour assurer, d'une part, la fusion de la brasure et sa réaction avec le matériau composite et la garniture métallique et, d'autre part, la mise en contact intime de la garniture métallique et de la paroi du trou par dilatation différentielle (figure 3). Une mise en pression interne de la garniture métallique lors du brasage peut être réalisée. La garniture métallique est en un métal ou un alliage métallique conducteur thermique, tel que le cuivre, le molybdène, Le diamètre de la garniture métallique et son épaisseur sont choisis en particulier pour: - autoriser l'introduction dans le trou, avec un faible jeu, de la garniture métallique munie de la couche de brasure, - conserver l'intégrité de la garniture métallique après brasage, et - assurer la permanence du contact entre le matériau composite réfractaire et la garniture métallique brasée, des dilatations différentielles qui se produisent lors de l'utilisation de la pièce étant compensées par déformation plastique de la garniture métallique. Ainsi, l'épaisseur de la garniture métallique doit être supérieure à une valeur minimale en deçà de laquelle son intégrité risque d'être détruite par attaque par la brasure ou par la pression du fluide dans le passage. Cette valeur minimale croît lorsque le diamètre de la garniture métallique croît. En outre, l'épaisseur de la garniture métallique doit rester inférieure à une valeur maximale au-delà de laquelle sa plasticité devient insuffisante. Pour une composition métallique donnée, les valeurs minimale et maximale de l'épaisseur de la garniture métallique peuvent être déterminées par l'expérience. Un passage étanche a été réalisé dans une pièce en matériau composite C/C dans les conditions suivantes. La pièce en matériau composite est réalisée par densification d'un renfort fibreux formé de couches de tissu de carbone aiguilletées, comme décrit dans la demande de brevet français Ne 2584 106. La densification est réalisée, dans un premier temps, par infiltration chimique en phase vapeur, afin de former un dépôt de carbone pyrolytique sur les fibres du renfort, puis par imprégnation par un brai suivie d'un pyrolyse. Le matériau obtenu subit un traitement thermique à haute température (graphitation). Un trou rectiligne de diamètre 11,6 mm est usiné à travers la pièce, sur toute la longueur de celle-ci (200 mm). La garniture métallique est constituée par un tube en cuivre doux de 11,3 mm de diamètre extérieur et 10 mm de diamètre intérieur (épaisseur 0,65 mm). Une couche de brasure d'épaisseur 0,1 mm est déposée sur le tube en cuivre. On utilise une brasure commercialisée sous la dénomination "Ticusil" par la société des Etats-Unis d'Amérique GTE WESGO, cette brasure ayant une base constituée par un alliage Ti + Cu + Si + Ag. Après insertion du tube en cuivre revêtu de brasure dans le trou, l'ensemble formé par la pièce en matériau composite et le tube en cuivre est porté à une température de 8909 C avec maintien à cette température pendant 5 minutes. Après refroidissement, on constate que le trou est totalement gainé par le cuivre en contact intime avec le matériau composite réfractaire, réalisant ainsi un passage parfaitement étanche. Il est constaté que la garniture métallique conserve toute son intégrité. Différents essais ont montré que, pour un tube en cuivre doux du même diamètre extérieur que ci-dessus (11,3 mm), l'épaisseur de paroi du tube doit au moins être égale à 0,5 mm, faute de quoi des défauts locaux d'intégrité de la garniture métallique sont très probables, et doit être au plus égale à 1 mm, faute de quoi la plasticité insuffisante risque de se traduire par des défauts locaux de liaison avec la paroi du trou. Bien entendu, plusieurs passages étanches pourraient être formés de la même manière dans la même pièce. En outre, il est possible de réaliser des passages étanches non pas rectilignes, mais courbes. Pour la formation d'un passage étanche, il est envisagé ci-dessus d'usiner d'abord un trou dans la pièce en matériau composite. 1l est toutefois possible de réserver le trou lors de la fabrication de la pièce. Il est également envisageable de réaliser la pièce en deux parties présentant chacune une gorge pour former un trou par rapprochement des deux parties. Le procédé de formation de passages étanches permet de réaliser des structures en matériau composite réfractaire refroidies par circulation d'un fluide. De telles structures sont utilisables notamment pour des parois de chambre de combustion de moteurs combinés, ou pour des parties de structures aérodynamiques d'avions spatiaux hypersoniques, notamment la pointe avant (nez), les bords d'attaque de voilure et la carène de prise d'air. Une autre application est la réalisation de structures de protection thermique pour des environnements à très haute température, par exemple une chambre de confinement électromagnétique de plasma dans une enceinte toroidale destinée à la fusion thermonucléaire contrôlée. La figure 4 est une vue très schématique en coupe d'une telle enceinte. La chambre de confinement 20 est entourée par des bobines d'induction 22, 24 et est reliée à une source de vide par un conduit 26. La paroi interne de la chambre 20 est revêtue d'une protection thermique. En parties inférieure et supérieure de la chambre, chaque portion de la paroi interne formant "déflecteur" 28 est une zone particulièrement sollicitée. En effet, comme le montre la figure 4, les lignes de champ électromagnétique se croisent dans cette région. Le confinement est moins intense, de sorte que le déflecteur est soumis à des flux thermiques très élevés. La protection thermique, au niveau de chaque déflecteur a pour fonction de protéger la paroi de la chambre. La température en surface de la protection thermique ne doit toutefois pas excéder environ 1000 C à 1200 0C pour éviter une pollution du plasma par sublimation du matériau de la protection. C'est pourquoi cette protection thermique est avantageusement constituée par une structure en matériau composite réfractaire refroidie par circulation d'un fluide. La figure 5 est une vue partielle à échelle plus agrandie de la protection thermique d'un des déflecteurs 28. Celle-ci est formée d'éléments unitaires identiques 30 dans chacun desqueIs est formé un passage pour la circulation d'un fluide de refroidissement. Ces passages sont reliés à des canalisations 40, 42 d'amenée et d'évacuation du fluide de refroidissement, celui-ci étant par exemple de l'eau à 150 'C sous une pression de 30 à 50 bars. Dans l'exemple illustré, les éléments 30 sont disposés en plusieurs lignes brisées qui épousent le profil de la paroi de la chambre. Le fluide de refroidissement est amené à une extrémité de chaque ligne et évacué à l'extrémité opposée. Les éléments 30 sont montés sur une structure métallique de support 44 solidaire de la paroi 46 de la chambre. Un élément 30 est représenté par les figures 6 et 7. Il est formé par un profilé 32 en matériau composite réfractaire par exemple de type C/C. A sa base, le profilé 32 présente une nervure de fixation 34 percée de trous 36 pour le montage du profilé par des systèmes vis-écrous sur la structure de support. Un passage étanche 38 longitudinal est formé dans le profilé 32 comme décrit plus haut en référence aux figures 1 à 3, l'étanchéité étant apportée par une garniture métallique en cuivre 39. Le passage 38 est raccordé à une canalisation 40 ou 42 ou au passage étanche d'un élément voisin par des raccords 41 soudés aux extrémités de la garniture métallique 38. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la formation d'un passage étanche dans une pièce en matériau composite réfractaire, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - insertion, dans un trou de la pièce, d'une garniture tubulaire métallique avec interposition d'un brasure, et - chauffage pour effectuer le brasage de la garniture métallique sur la paroi du trou, de sorte que la garniture métallique définit un passage étanche, et que des dilatations différentielles d'origine thermique entre le matériau composite réfractaire et la garniture métallique peuvent être compensées par déformation plastique de cette dernière. 2. Structure en matériau composite réfractaire, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément qui présente un passage interne dont la paroi est rendue étanche par une garniture métallique brasée sur le matériau composite réfractaire, pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement dans le passage. 3. Protection thermique refroidie par circulation d'un fluide de refroidissement pour un déflecteur d'une chambre de confinement électromagnétique d'un plasma dans une installation de fusion thermonucléaire contrôlée, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une pluralité d'éléments (30) en matériau composite réfractaire qui présentent chacun un passage interne (38) dont la paroi est rendue étanche par une garniture métallique (39) brasée sur le matériau composite réfractaire, les passages étanches des éléments de la protection thermique étant raccordés à des canalisations (40, 42) d'amenée et d'évacuation d'un fluide de refroidissement. 4. Protection thermique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'éléments unitaires identiques (30) disposés en plusieurs lignes qui épousent sensiblement le profil de la paroi de la chambre de confinement.