Brevet FR2695121A1 — publié le 19940304

La présente invention a trait à un procédé de fabrication d'éléments de matrice creux en carbure de silicium renforcés par de la fibre de carbure de silicium, particulièrement des ailettes creuses de turbines ou des aubes creuses de turbine pour des moteurs à turbine à gaz. Des éléments de matrice en carbure de silicium renforcés par de la fibre de carbure de silicium solide sont connus de l'art antérieur Ces éléments sont fabriqués par tissage de fibres de carbure de silicium selon le modèle requis et la forme requise pour former une préforme en fibre Les fibres de carbure de silicium de la préforme sont ensuite revêtues avec une fine couche de carbone par infiltration en phase gazeuse par procédé chimique Le carbone a pour fonction de délier les fibres de la matrice et de conférer à l'élément les propriétés requises La matrice en carbure de silicum est ensuite déposée sur la préforme en fibre par infiltration en phase gazeuse par procédé chimique. La préforme en fibre est imprégnée avec une résine polymère de liaison et la préforme est placée dans un moule en grapite pendant l'infiltration chimique en phase gazeuse Le moule en graphite est nécessaire pour supporter la préforme de fibre durant le procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse, car la résine polymère de liaison brûle complètement la préforme de fibre, durant le procédé de réchauffage pour l'infiltration chimique en phase gazeuse, laissant uniquement les fibres qui ne peuvent se soutenir d'elles -mêmes Il est nécessaire d'utiliser un moule en graphite car c'est un des rares matériaux qui n'est pas attaqué par les précurseurs gazeux toxiques et corrosifs, par exemple du méthyltrichlorosilane, utilisé pour déposer du carbure de silicium par infiltration chimique en phase gazuese Le moule en graphite est retiré à un moment pendant le procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse après que la préforme en fibre a subi une étape de durcissement, après quoi elle peut se soutenir d'elle-même. Un problème associé à la fabrication d'éléments de matrice creux en carbure de silicium renforcé par de la fibre de carbure de silicium est que les cavités internes dans la préforme en fibre doivent être remplies pendant le procédé chimique d'infiltration en phase gazeuze car la préforme en fibre ne peut se soutenir d'elle-même Les cavités internes peuvent être remplies pour soutenir la préforme en fibre en utilisant des inserts en graphite. Cependant, pour des éléments dans lesquels les cavités internes sont complètement fermées, par exemple une ailette ou une aube creuse de turbine, il est difficile de retirer les inserts en graphite Une possibilité consiste à laisser l'insert en graphite dans l'élément, mais dans le cas d'ailettes de turbine ou d'aubes de trubine, cela augmenterait le poids des ailettes de trubine ou des aubes de turbine, ce qui n'est pas souhaitable Une autre possibilité consiste à brûler totalement les inserts en graphite à un certain moment pendant le procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse, après que la préforme en fibre a durci, mais les couches d'interface en carbone sur les fibres de carbures de silicium se consumeraient également en même temps détruisant par là le composite. Par conséquent, la présente invention cherche à établir un nouveau procédé de fabrication d'un élément de matrice creux en carbure de silicium renforcé par de la fibre de carbure de silicium qui réduit ou surmonte les problèmes susmentionés. Par conséquent, la présente invention définit un procédé de fabrication d'un élement de matrice creux en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium comprenant les étapes de: (a) disposer les fibres de carbure de silicium selon un modèle prédéterminé et une forme prédéterminée autour d'un élément en graphite revêtu de carbure de silicium pour former une préforme; (b) déposer du carbure de silicium sur les fibres de carbure de silicium de la préforme pour former un élément de matrice en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium; (c) enduire la surface externe de l'élément de matrice en carbure de silicium renforcé par de la fibre de carbure de silicium avec du verre; (d) chauffer l'élément de matrice en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium et revêtu de verre dans de l'air et de l'oxygène pour consumer l'élément en graphite pour former un élément de matrice creux en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium. De préférence, le procédé comprend l'étape de disposer les fibres de carbure de silicium selon un modèle prédéterminé et une forme prédéterminée pour former une préforme ayant un intérieur creux, l'élément en graphite revêtu de carbure de silicium a une forme et des dimensions externes qui s'adaptent à l'intérieur creux de la préforme, en insérant l'élément en graphite revêtu de carbure de silicium dans l'intérieur creux de la préforme. De préférence, le procédé comprend l'étape d'enduire les fibres de carbure de silicium avec du carbone après qu'elles sont disposées selon le modèle prédéterminé et la forme prédéterminée pour former la préforme De préférence, les fibres de carbure de silicium sont imprégnées avec une résine polymère pour former la préforme De préférence, la préforme est supportée par un moule en graphite De préférence, le carbone est déposé sur les fibres de carbure de silicium par procédé chimique d'infiltration en phase gazeuze De préférence, le carbone est déposé sur les fibres de carbure de silicium à haute température et à basse pression De préférence, le carbure de silicium est déposé sur les fibres de carbure de silicium, ou sur les fibres enduites de carbone, par procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse De préférence, le carbure de silicium est déposée sur les fibres de carbure de silicium, ou sur les fibres de carbure de silicium enduites de carbone, sous haute température et basse pression De préférence, la haute température est d'environ 1 0000 C à 1 100 'C De préférence, le carbure de silicium est déposé par pyrolyse de méthyltrichlorosilane. L'élément creux peut être une ailette de turbine ou une aube de turbine. La présente invention sera plus amplement décrite au moyen d'exemples en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective partiellement en coupe d'une ailette creuse de turbine de matrice en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium, la figure 2 est un diagramme illustrant le procédé à une première étape, la figure 3 est un diagramme illustrant le procédé à une deuxième étape, la figure 4 est un diagramme illustrant la dernière étape du procédé. Une ailette creuse 10 de moteur à turbine à gaz en composite de carbure de silicium, comme représenté sur la figure 1, comprend une partie formant pied 12, une partie formant plate-forme 14 et une partie aérodynamique 16 La partie aérodynamique 16 est creuse et comprend une paroi concave 18 de surface de pression, une paroi convexe 20 de surface d'aspiration, et une paroi d'extrémité 22 qui définissent au moins une cavité interne 24. L'ailette creuse 10 de la turbine en composite de carbure de silicium est fabriquée en utilisant un procédé qui est illustré sur les figures 2 à 4 Les fibres de carbure de silicium sont tissées selon un modèle prédéterminé et une forme requise pour définir la forme extérieure de l'élément et la forme intérieure de l'élément Les fibres de carbure de silicium représentent environ 40 % en volume de l'élément fini, bien que d'autre proportions appropriées peuvent être utilisées Les fibres de carbure de silicium sont typiquement en Nicalon, marque enregistrée, ou en Tyranno, marque enregistrée Les fibres de carbure de silicium sont ensuite enduites avec du carbone par pyrolyse en phase gazeuse à une haute température appropriée et à une basse pression appropriée Une température appropriée est d'environ 1 0000 C à 1 1000 C La couche de carbone a pour fonction de décoller les fibres de la matrice pour conférer à l'élément composite Si C/Si C les propriétés requises Le carbone est déposé sur les fibres avec une épaisseur appropriée, par exemple 0,4 10-6 m Les fibres de carbure de silicium sont imprégnées avec un liant en résine polymère pour former une préforme en fibre. La préforme en fibre 30, comme représenté sur la figure 2, est disposée sur un moule en graphite 32 qui supporte les fibres de carbure de silicium pendant le procédé chimique subséquent d'infiltration en phase gazeuse Un insert en graphite 34, qui présente une fine couche 36 de carbure de silicium est inséré dans la cavité 38 définie par la forme intérieure de la préforme en fibre 30 En variante, la préforme en fibre 30 est formée autour de l'insert en graphite 34 enduit de carbure de silicium 36 Les fibres de carbure de silicium sont généralement tissées selon une structure appropriée pour l'élément ou la forme à fabriquer Le procédé le plus simple et le moins coûteux consiste à tisser les fibres de carbure de silicium en une bande bidimensionnelle qui est ensuite empilée et comprimée pour obtenir l'épaisseur de matériau requise. La préforme de fibre est ensuite traitée de façon conventionnelle pour déposer le carbure de silicium sur les fibres de carbure de silicium enduites de carbone pour produire la matrice de carbure de silicium La préforme de fibre 30, l'insert en graphite 34 et le module en graphite 32 sont placés dans une chambre à vide, o l'on établit une basse pression appropriée La température dans la chambre à vide est augmentée à une haute température appropriée pour le procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse, par exemple une température de 1 0000 C à 1 1000 C convient A cette température, les liants en résine polymère sur les fibres s'évaporent et sont extraits de la chambre à vide Un précurseur gazeux approprié et alors introduit dans la chambre à vide et le carbure de silicium est déposé sur les fibres en carbure de silicium enduites de carbone par pyrolyse pour former un élément composite de matrice 40 en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium, comme représenté sur la figure 3 Lors du procédé de pyrolyse, la préforme en fibre est chauffé dans une atmosphère d'hydrogène qui a une faible concentration de méthyltrichlorosilane Le méthyltrichlorosilane diffuse dans la préforme de fibre et subit la décomposition thermique dans l'atmosphère d'hydrogène réductrice pour déposer du carbure de silicium sur les fibres de carbure de silicium enduites de carbone En conséquence, la matrice en carbure de silicium est formée autour des fibres individuelles de carbure de silicium Les fibres de carbure de silicium enduites de carbone dans la préforme de fibre 30 sont en contact intime avec la couche 36 de carbure de silicium sur l'insert en graphite 34, le procédé d'infiltration produit un effet de collage des deux ensembles La matrice en carbure de silicium est déposée avec une épaisseur de 10-40 10-6 m, typiquement 20 10-6 m. Le moule en graphite 32 est retiré en partie par le procédé chimique d'infiltration en phase gazuese après que la préforme de fibre 30 a durci, de sorte qu'elle puisse se soutenir d'elle-même. A la fin du procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse, l'élément composite Si C/Si C est revêtu de verre 42, comme représenté sur la figure 3, pour protéger l'élément composite Si C/Si C des attaques extérieures. L'élément composite Si C/Si C en entier est ensuite chauffé dans l'air ou l'oxygène, pour consumer l'insert en graphite 34 pour laisser un intérieur creux 24 comme représenté sur la figure 4 La couche dense 36 de carbure de silicium et le carbone et les fibres de carbure de silicium permet à l'insert en graphite 34 d'êre consumé en laissant la couche 36 de carbure de silicium dans l'intérieur creux 24 La couche 36 de carbure de silicium procure une protection extérieure sans nécessiter un revêtement de verre supplémentaire. Bien que la description ne se réfere qu'à une seule cavité dans l'élément creux, il est également possible d'utiliser une pluralité d'inserts en graphite enduit de carbure de silicium pour produire une pluralité de cavités à l'intérieur de l'élément creux. Il est possible d'enduire les fibres de carbure de silicium avant qu'elle soient tissées selon la forme requise. Le revêtement de carbone sur les fibres de carbure de silicium peut être appliqué par n'importe quel autre procédé approprié. Revendications 1. Procédé de fabrication d'un élement de matrice creux en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium comprenant les étapes de: (a) disposer les fibres de carbure de silicium selon un modèle prédéterminé et une forme prédéterminée autour d'un élément en graphite revêtu de carbure de silicium pour former une préforme; (b) déposer du carbure de silicium sur Is fibres de carbure de silicium de la préforme pour former un élément de matrice en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium; (c) enduire la surface externe de l'élément de matrice en carbure de silicium renforcé par de la fibre de carbure de silicium avec du verre; (d) chauffer l'élément de matrice en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium et revêtu de verre dans de l'air et de l'oxygène pour consumer l'élément en graphite pour former un élément de matrice creux en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium. 2 Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape de disposer les fibres de carbure de silicium selon un modèle prédéterminé et une forme prédéterminée pour former une préforme ayant un intérieur creux, l'élément en graphite revêtu de carbure de silicium a une forme et des dimensions externes qui s'adaptent à l'intérieur de la préforme creuse, en insérant l'élément en graphite revêtu de carbure de silicium dans l'intérieur creux de la préforme. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant l'étape d'enduire les fibres de carbure de silicium avec du carbone après qu'elles ont été disposées selon le modèle prédéterminé et la forme prédéterminée pour former la préforme. 4 Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, comprenant l'étape d'imprégner les fibres de carbure de silicium avec une résine polymère pour former la préforme. 5. Procédé selon la revendication 4, comprenant l'étape de faire reposer la préforme sur un moule en graphite durant l'étape de dépôt du carbure de silicium. 6. Procédé selon la revendication 3, comprenant l'étape de déposer le carbone sur les fibres de carbure de silicium par procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le carbone est déposé sur les fibres de carbure de silicium à haute température et à basse pression. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant l'étape de déposer le carbure de silicium sur les fibres de carbure de silicium, ou sur les fibres de carbure de silicium enduites de carbone, par procédé chimique d'infiltration en phase gazeuse. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le carbure de silicium est déposée sur les fibres de carbure de silicium, ou sur les fibres de carbure de silicium enduites de carbone, sous haute température et basse pression. 10. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 9, dans lequel la haute température est d'environ 1 0000 C à 1 1000 C. 11. Procédé selon la revendication 8 ou 9, comprenant l'étape de déposer le carbure de silicium par pyrolyse de méthyltrichlorosilane. 12. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape d'enduire les fibres de carbure de silicium avec du carbone avant qu'elles soient disposées selon le modèle prédéterminé et la forme prédéterminée pour former la préforme. 13. Elément de matrice creux en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium tel que fabriqué selon le procédé d'une des revendications 1 à 12. 14. Elément de matrice creux en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium selon la revendication 13, dans lequel l'élément creux est une ailette de turbine ou une aube de turbine. 15. Elément en graphite profilé pour définir la forme interne de l'élément de matrice creux en carbure de silicium renforcé avec de la fibre de carbure de silicium, caractérisé en ce que l'élément en graphite ( 34) a un revêtement ( 36) en carbure de silicium. 16. Elément de graphite profilé selon la revendication 15, dans lequel l'élément de graphite a un profil aérodynamique.