Brevet FR2713984A1 — publié le 19950623

L'invention concerne une pièce en un matériau composite renforcé de fibres, comportant une couche de protection contre l'érosion. Des pièces en matériau composite renforcé de fibres sont menacées d'érosion par des particules abrasives dans l'écoulement d'air, notamment dans la zone extérieure et dans le canal d'écoulement de réacteurs. Dans la zone extérieure du réacteur, existe en outre le risque d'une détérioration ou d'une destruction de la pièce par impact de foudre, notamment dans le cas de pièces en matériaux composites à fibres, non métalliques. En raison de leur faible poids volumique, de tels matériaux composites trouvent de plus en plus leur application dans la partie extérieure de réacteurs, par exemple en guise de cône d'entrée, de carénage de réacteur ou de pales de soufflantes. Des impacts de foudre sur ces pièces peuvent conduire au délaminage ou à la rupture de la pièce, de sorte que la fonction de l'ensemble du réacteur est mise en danger. Le document DE-36 44 116 divulgue une couche de protection en un vernis inorganique, qui peut être mise en oeuvre à des températures inférieures à la température de ramollissement ou de décomposition de matériaux composites non métalliques. Un inconvénient de cette couche de vernis inorganique, réside dans le fait qu'elle renferme, en raison de la faible température de cuisson, des constituants résiduels n'ayant pas réagi, qui produisent l'effet suivant, à savoir que la couche de vernis inorganique, malgré des charges métalliques, présente une action isolante, et attaque de manière corrosive des couches d'adhérence ou des pièces métalliques. Un autre inconvénient de ce système de vernis réside dans le fait que son effet d'adhérence sur 2 2713984 des pièces en carbone renforcé de fibres de carbone, n'est pas suffisant pour éviter un éclatement ou un écaillage, en cas de forte sollicitation mécanique ou électrique. Par ailleurs, il est connu d'incorporer par stratification, des tissus ou des treillis métalliques, dans les couches extérieures d'une pièce en matériau composite à fibres, en vue de créer une protection à l'encontre de la foudre. L'inconvénient de cette solution réside, d'une part dans la fabrication coûteuse et complexe du produit stratifié à proximité de la surface, dans lequel sont incorporés par stratification les tissus ou treillis de fils métalliques, et d'autre part dans la faible couverture de surface du tissu ou treillis de fils métalliques. Le but de l'invention consiste à fournir une pièce du type de celle mentionnée en introduction, qui remédie aux inconvénients de l'état de la technique, et qui, au moyen d'une couche de protection, réalise une protection efficace d'une pièce en matériau composite à fibres, aussi bien contre l'érosion que contre les impacts de foudre. Ce but est atteint grâce au fait que la couche de protection comprend une couche intermédiaire à pouvoir adhérent, une couche de vernis inorganique, électriquement isolante, ayant subi une cuisson et destinée à la protection contre l'érosion, et une couche de recouvrement électriquement conductrice, destinée à la protection contre les impacts de foudre, en un vernis inorganique ayant subi une cuisson et une compression, la cuisson du vernis destiné à la couche de vernis et à la couche de recouvrement, pouvant s'effectuer à une température inférieure à la température de détérioration, de ramollissement ou de décomposition de la pièce. Cette solution présente l'avantage de mettre en oeuvre les systèmes de vernis inorganiques connus par l'état de la technique, et modifie leur pouvoir adhérent et leur conductibilité électrique, de manière telle, que l'on obtienne une protection améliorée par rapport à l'état de la technique, contre l'érosion et les impacts de foudre, pour une pièce en matériau composite à fibres. Pour améliorer le pouvoir adhérent, la couche intermédiaire est réalisée en matériau de matrice pour des matières plastiques renforcées de fibres de verre, de préférence en fibres de verre et en matériau de matrice de matière plastique. Les constituants de vernis évoqués plus haut, n'ayant pas subi la réaction lors de la cuisson, d'une part n'attaquent pas un tel matériau de matrice, et d'autre part, la couche de vernis inorganique, en raison de réactions du matériau de matrice avec des composants actifs du vernis, adhère de manière particulièrement intense sur la pièce, après la cuisson, lorsque la couche intermédiaire à été appliquée au préalable, ou bien lorsque pendant la fabrication de la pièce, la couche intermédiaire à été réalisée en commun avec la pièce, en guise de couche extérieure de la pièce. Un autre avantage réside dans le fait qu'il est possible d'utiliser, aussi bien pour la couche électriquement isolante, que pour la couche de recouvrement électriquement conductrice, le même vernis inorganique, que celui divulgué par exemple par le document DE-36 44 116. La couche intermédiaire à pouvoir adhérent peut, de préférence, également être réalisée en une matière plastique renforcée de fibres de verre. Cela présente l'avantage, d'une part de permettre de compenser des différences plus importantes quant au comportement à la dilatation thermique, entre la pièce et la couche de protection, en optimisant le renfort de fibres de verre de la couche intermédiaire par orientation des fibres, et d'autre part de produire une réaction du matériau de matrice avec les composants actifs du vernis, de sorte que la couche de vernis inorganique adhère de manière particulièrement intense sur la piece, après la cuisson. La couche de vernis inorganique comprend, de préférence, une charge de poudre d'aluminium, qui lors de la cuisson, forme une couche électriquement isolante, en raison des constituants du vernis inorganique n'ayant pas subi de réaction, principalement si la poudre d'aluminium, en raison de l'atmosphère de cuisson, est recouverte partiellement de couches d'oxyde. L'avantage de la charge d'aluminium réside dans le fait que, grâce à un traitement ultérieur de la couche ayant subi la cuisson, il est possible d'obtenir une conductibilité électrique élevée, dans la zone proche de la surface. Grâce à un choix approprié du liant du vernis inorganique, il est également possible que la charge soit désoxydée et subisse la cuisson en-dessous de la température de ramollissement ou de décomposition de la pièce, ce qui facilite la formation d'une couche de recouvrement électriquement conductrice, en vernis inorganique compressé. Il est particulièrement avantageux que la couche de vernis et la couche de recouvrement présentent de préférence, les mêmes matériaux de base. Cela réduit les coûts de stockage et la transformation, et permet d'assurer une transition exempte de problèmes, de la couche de vernis à la couche de recouvrement compressée et électriquement conductrice. La couche de protection offre un avantage supplémentaire, lorsque la couche de recouvrement est une couche réfractaire de titane, parce que dans ce cas, toutes les pièces dans le canal d'écoulement d'un réacteur, peuvent être réalisées avec une couche de protection conforme à l'invention, en permettant ainsi d'obtenir une productivité élevée, grace à J'uniformisation du type de revêtement et à une réduction des variantes de revêtements. Cette uniformisation est toutefois limitée par les températures de fonctionnement admissibles, qui sont essentiellement limitées par le matériau de matrice des matériaux composites. Les températures de fonctionnement les plus élevées peuvent ici être atteintes par les matériaux de matrice du type céramique, dans le cas de pièces réalisées en céramique renforcée de fibres, et de préférence par des pièces en carbone renforcé de fibres de carbone, a l'exclusion d'oxygène. Les températures les plus basses sont obtenues, de préférence avec des pièces en matière plastique renforcée de fibres, qui sont avantageusement mises en oeuvre dans la partie extérieure de réacteurs et pour des pales de soufflante. Un autre but de l'invention consiste à indiquer un procédé de fabrication d'une pièce en un matériau composite renforcé de fibres et comportant une couche de protection, qui soit amélioré par rapport aux procédés de fabrication complexes de dispositifs de protection contre les dégâts de la foudre et l'érosion, tels que des tissus de fils métalliques. Ce but est atteint grâce aux étapes de procédé suivantes: a) application de fibres de verre en guise de couche extérieure de fibres, lors de la fabrication d'une pièce en un matériau composite renforcé de fibres, pour former une couche intermédiaire à pouvoir adhérent, renforcée de fibres de verre, les fibres de verre étant incorporées dans la même matrice de matière plastique que la pièce, ou, dans le cas de pièces en matériaux composites céramiques, dans une matrice de matière plastique supplémentaire, b) vernissage de la pièce & l'aide d'un vernis inorganique, en plusieurs couches successives, c) cuisson du vernis inorganique à des températures inférieures à la température de détérioration, de ramollissement ou de décomposition de la pièce, d) compression des couches supérieures du vernis ayant subi la cuisson pour former une couche de recouvrement électriquement conductrice, par billage, laminage, compression à la presse et/ou brossage. Ce procédé présente l'avantage d'être adapté à une production de masse. La préparation de la surface entre les différentes étapes de revêtement, dépend ici des propriétés et de la composition du matériau de la pièce et des revêtements. On met avantageusement en oeuvre un dégazage dans le cas de matériaux composites céramiques, tandis qu'on augmente la rugosité et/ou on procède au nettoyage des surfaces, de préférence dans le cas de pièces ou de revêtements intermédiaires en matières plastiques renforcées de fibres. L'avantage d'un vernissage de la pièce en plusieurs couches successives, réside dans le fait que l'épaisseur de la couche de protection peut être augmentée de manière graduelle, et, en cas d'érosion par des particules abrasives dans le canal d'écoulement d'un réacteur, la couche de protection peut être érodée de manière graduelle correspondante. La cuisson, qui s'effectue en-dessous de la température de détérioration, de ramollissement ou de décomposition de la pièce, est effectuée, dans le cas de matières plastiques renforcées de fibres, avantageusement en-dessous de 200'C, de sorte qu'il n'y a aucun risque de ramollissement de la matière plastique, ni de décomposition de la pièce. Des pièces en carbone renforcé de fibres de carbone permettraient certes des températures de cuisson plus élevées, allant jusqu'à 500'C, mais il s'est toutefois avéré dans le cas de ces pièces, qu'il fallait utiliser en guise de couche intermédiaire à pouvoir adhérent, une matière plastique renforcée de fibres de verre, ou bien le matériau de matrice pur de la matière plastique renforcée de fibres, de sorte que dans ce cas également, l'on effectue avantageusement la cuisson, à une température en-dessous de 200'C. Dans le cas de ces basses températures de cuisson, des constituants du vernis, n'ayant pas subi de réaction, restent dans la couche de protection, de sorte qu'après la cuisson, celle-ci est tout d'abord électriquement isolante et n'offre donc pas de protection contre les impacts de foudre. De manière surprenante, il a été possible d'obtenir pour les couches du vernis inorganique, voisines de la surface, une couche fermée, électriquement conductrice, en réalisant, après la cuisson, une compression de la couche de vernis par billage, laminage, compression à la presse et/ou brossage, de sorte qu'il a été possible de réaliser, grâce à ce procédé de revêtement, une protection intégrale contre la foudre. L'invention va être explicitée plus en détail et à titre d'exemple, au regard du dessin annexé, qui montre: Fig. 1 une section transversale proche de la surface, d'une pièce comportant une couche de protection conforme à l'invention. Une pale de soufflante 1 est formée essentiellement de couches de fibres de renfort, pré- imprégnées de matériau de matrice, par exemple des fibres de carbone, qui sont totalement noyées, par exemple, dans une matrice de matière plastique. La matrice de matière plastique peut, par exemple, être constituée d'une résine époxy, d'une résine phénolique ou d'une résine de polyimides, matrice qui lors du processus de fabrication, est soumise à un traitement thermique en vue de mouiller les chaînes moléculaires. Pendant le traitement thermique à une température de 120 à 180'C, les couches de fibres pré-imprégnées, en vue de leur compression et de leur mise en forme, sont soumises, dans un moule, à une pression de 80 kPa à 2 MPa, et durcissent à cette occasion. Les couches extérieures sont ici constituées, conformément à l'invention, de tissus de fibres de verre, de rubans de fibres de verre unidirectionnels, de fibres de verre courtes, ou bien de boyaux de tresses de verre. Ces couches extérieures de fibres de verre sont, dans le présent exemple, noyées dans le même matériau de matrice que les fibres de renfort constituant la pièce. L'épaisseur de cette couche intermédiaire en matière plastique renforcée de fibres de verre, est de 0,05 à 1 mm. Ensuite, on applique en plusieurs couches, un revêtement de vernis inorganique 3, 4. En guise de vernis inorganique, on a utilisé le vernis divulgué par le document DE-36 44 116, qui comprend de la poudre d'aluminium en guise de charge. Après une cuisson des couches de vernis 3, 4, à une température de 150 à 'C, on est en présence d'un revêtement électriquement non conducteur. A la suite de cela, les couches 4 proches de la surface, des couches de vernis inorganique 3, 4 ayant subi la cuisson, subissent une compression par billage, de sorte que le revêtement, tout d'abord électriquement non conducteur, forme dans la zone proche de la surface, une couche 6 fermée, électriquement conductrice. Il s'est avéré avantageux d'effectuer, avant le billage, un brossage de la surface 5, parce qu'il est ainsi possible de réduire davantage encore, aussi bien la durée du billage, que la résistance électrique de la couche conductrice. Dans le présent exemple, on utilise pour le billage, des perles de verre d'un diamètre moyen de 40 à 80 pm. REVENDICATIONS. 1. Pièce en un matériau composite renforcé de fibres, comportant une couche de protection contre l'érosion, caractérisée en ce que la couche de protection comprend une couche intermédiaire (2) à pouvoir adhérent, une couche de vernis inorganique (3), électriquement isolante, ayant subit une cuisson et destinée & la protection contre l'érosion, et une couche de recouvrement (6) électriquement conductrice, destinée à la protection contre les impacts de foudre, en un vernis inorganique ayant subi une cuisson et une compression, la cuisson du vernis destiné à la couche de vernis et à la couche de recouvrement, pouvant s'effectuer à une température inférieure à la température de détérioration, de ramollissement ou de décomposition de la pièce. 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche intermédiaire est réalisée en matériau de matrice pour des matières plastiques renforcées de fibres de verre. 3. Pièce selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche intermédiaire est réalisée en une matière plastique renforcée de fibres de verre. 4. Pièce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche de vernis inorganique comprend une charge de poudre d'aluminium. 5. Pièce selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche de vernis et la couche de recouvrement présentent les mêmes matériaux de base. w l 6. Pièce selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche de recouvrement est une couche réfractaire de titane. 7. Pièce selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la pièce est réalisée en une matière plastique renforcée de fibres. 8. Pièce selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la pièce est réalisée en une céramique renforcée de fibres. 9. Procédé de fabrication d'une pièce en un matériau composite renforcé de fibres et comportant une couche de protection contre l'érosion, caractérisé par les étapes de procédé suivantes: a) application de fibres de verre en guise de couche extérieure de fibres, lors de la fabrication d'une pièce (1) en un matériau composite renforcé de fibres, pour former une couche intermédiaire (2) à pouvoir adhérent, renforcée de fibres de verre, les fibres de verre étant incorporées dans la même matrice de matière plastique que la pièce, ou, dans le cas de pièces en matériaux composites céramiques, dans une matrice de matière plastique supplémentaire, b) vernissage de la pièce à l'aide d'un vernis inorganique, en plusieurs couches successives (3, 4), c) cuisson du vernis inorganique à des températures inférieures à la température de détérioration, de ramollissement ou de décomposition de la pièce, d) compression des couches supérieures du vernis ayant subi la cuisson, pour former une couche de recouvrement (6) électriquement conductrice, par billage, laminage, compression à la presse et/ou brossage.