Brevet FR2753192A1 — publié le 19980313

ASSEMBLAGE DE TUILES EN CERAMIQUE JUXTAPOSEES SUR UNE COUCHE METALLIQUE, ET SON PROCEDE DE FABRICATION DESCRIPTION L'invention concerne un assemblage en matière composite, composé de tuiles en céramique juxtaposées sur une couche de support métallique, ainsi qu'un procédé de fabrication de cet assemblage. De tels assemblages composites en forme de panneaux sont généralement construits avec des tuiles en matière composite fibreuse, telle que carbonecarbone, carbone-carbure de silicium ou carbure de silicium-carbure de silicium, tandis que la couche de support peut être en alliage de cuivre ou de nickel, ou plus généralement un métal ou alliage ductile à température de fusion élevée. Ils sont appréciés à cause de leurs propriétés réfractaires associées à une bonne conductivité de la chaleur qu'offrent les tuiles en céramique. Cependant, leur utilisation fait apparaître un problème encore mal résolu, à savoir le vieillissement consécutif à la fatigue thermique : les coefficients de dilatation thermique, différents par nature, des tuiles et de la couche de support produisent des contraintes de cisaillement dans les tuiles qui aboutissent à leur délamination ou à une fissuration de l'assemblage à la zone de jonction des tuiles à la couche de support. Les fissures peuvent progresser assez vite, jusqu'à détruire complètement l'assemblage. On a donc cherché à renforcer la jonction entre les tuiles et la couche de support. Le procédé généralement utilisé pour créer cette jonction est le brasage, qui-permet de transférer facilement la chaleur des tuiles à la couche de support : les brasures pénètrent en effet dans les pores des tuiles et offrent ainsi une liaison plus intime que des procédés tels que le soudage par diffusion en phase solide. Par ailleurs, les colles résistent mal aux températures élevées et les techniques de soudage au faisceau d'énergie sont inutilisables car ils détruiraient la céramique en la faisant fondre. Un moyen de renforcer la jonction consiste alors à strier la surface des tuiles ou à la piquer pour y produire des sillons ou des indentations dans lesquels la brasure pénètre et qui augmentent donc la surface de fixation. Le fascicule de brevet EP-B-0 476 772 décrit quelques modes de réalisation de ce procédé, dont l'inconvénient est cependant de nécessiter une longue préparation des tuiles avant l'assemblage et d'altérer leur résistance mécanique sur une profondeur de quelques millimètres en les entamant. Tous les procédés analogues qui consisteraient à usiner ou éroder les tuiles posséderaient cet inconvénient. On a également proposé (dans le brevet WO-A9422178) d'assembler deux blocs ou couches en matière composite en laissant dépasser leurs fibres, en les tissant à l'endroit du joint puis en les noyant dans une matrice métallique. Ce procédé est évidemment complexe et la résistance du joint aux sollicitations mécaniques et au vieillissement est problématique à cause de la grande hétérogénéité de ses éléments. L'invention a donc pour objet de renforcer les assemblages de tuiles ou plus généralement de pièces en céramique sur des couches de support métallique, et elle y parvint au moyen de pièces d'ancrage, fixées sur la même face de la couche de support que les tuiles et qui sont coincées contre les flancs des tuiles. Ces pièces d'ancrage peuvent présenter des renflements audessus de la face de fixation, et qui mordent dans les faces latérales des tuiles. Dans les deux cas, les forces d'appui ou d'accrochage exercées sur les tuiles par les pièces d'ancrage ont pour effet de maintenir celles-là contre la couche de support métallique et de s'opposer ainsi à leur arrachement ou à leur décollement progressif. De plus, la construction de l'assemblage n'est pas difficile car il suffit de poser les tuiles en se servant des pièces d'ancrage comme éléments intercalaires ; la liaison peut ensuite être produite en une étape unique de compression isostatique à chaud qui sert à la fois à réaliser le brasage des tuiles ou le soudage par diffusion en phase solide entre les pièces d'ancrage et la couche de support. L'invention va maintenant être décrite plus concrètement au moyen des figures suivantes, qui sont annexées à titre purement illustratif la figure 1 est une vue générale de l'assemblage en coupe, les figures 2A, 2B, 2C et 2D représentent quatre formes de pièces d'ancrage, et la figure 3 illustre une variante de réalisation possible. Sur la figure 1, la couche de support métallique porte la référence 1, et sa face supérieure 2 porte au moins une rangée de tuiles 3 et de pièces d'ancrage 4 qui alternent de façon qu'une pièce d'ancrage 4 soit coincée entre chaque paire des tuiles 3 ; de plus, des pièces d'ancrage extrêmes 4 sont aussi coincées contre les flancs 16 libres des tuiles 3, au bout de la rangée et sur les côtés de la rangée. Les faces de base des tuiles 3 sont intimement unies à la couche 1 par des brasures 5, et les bases des pièces d'ancrage 4 sont unies à la couche 1 par des soudures 6 par diffusion en phase solide. Les pièces d'ancrage 4 touchent les flancs 16 (s'élevant de la couche de support 1) des tuiles 3 par des points d'ancrage latéraux formant des lignes, des facettes ou des faces entières. Dans la réalisation représentée, les pièces d'ancrage 4, représentées séparément sur la figure 2A, ont des sections en trapèze dont les sommets sont plus larges que les bases, de sorte que le contact avec les tuiles 3 se produit par des arêtes supérieures 7. On pourrait cependant utiliser des pièces d'ancrage de sections différentes, par exemple parallélépipédiques conformément à la figure 2B, pour lesquelles l'action d'accrochage réalisée par les arêtes 7 serait remplacée par un appui simple de leurs flancs verticaux 8 contre les flancs 16 des tuiles 3, c'est-à-dire par une simple action de pression. On pourrait aussi employer des pièces d'ancrage de forme plus compliquée, par exemple celles qui sont représentées aux figures 2C ou 2D et présentent un renflement supérieur, triangulaire (référencé par 9 dans le premier cas) ou plat (référencé par 10 dans le second), de sorte que l'accrochage aux tuiles 3 est produit par des arêtes supérieures 11 analogues aux arêtes 7 ou par des facettes latérales 12. Il est également possible d'utiliser des tuiles de formes différentes et notamment celles qui portent la référence 13 à la figure 3 et se distinguent des précédentes par l'addition de deux rebords en corniche 14 surplombant les pièces d'ancrage 4 et dont le but essentiel est de les couvrir tout en réduisant le jeu entre les tuiles. Le matériau de composition des pièces d'ancrage 4 doit être choisi pour que les tuiles 3 ou 13 restent fermement maintenues contre la face supérieure 2 de la couche 1 pendant le service de l'assemblage. Comme ce service consiste le plus souvent à subir des cycles thermiques impliquant des échauffements importants, il faut que le coefficient de dilatation thermique des pièces d'ancrage 4 soit inférieur ou égal à celui des tuiles 3 pour éviter que celles-ci ne soient soulevées pendant les grands échauffements. De plus, les pièces d'ancrage doivent rester suffisamment rigides. Des composés réfractaires tels que le tungstène, le molybdène ou l'alumine sont donc préconisés. Le procédé de fabrication proposé ici peut se décomposer en trois étapes : après la préparation des pièces et le nettoyage des surfaces, les pièces sont placées dans une enveloppe 15 de compression isostatique à chaud, sans oublier d'intercaler le matériau de brasage entre la couche 1 et les tuiles 3 enfin, le cycle de compression isostatique à chaud est réalisé en établissant une pression autour de l'enveloppe 15, ce qui fait fondre le matériau de brasure et imprègne les pores des tuiles 3 par capillarité ; la pression permet à la fois d'enfoncer les pièces d'ancrage 4 dans les flancs des tuiles 3 et d'assurer le soudage par diffusion de phases solides entre les bases des pièces d'ancrage 4 et la couche 1. La fabrication de l'assemblage composite est finie à l'issue de ce cycle, et il suffit alors d'ôter l'enveloppe 15. On remarquera que ce procédé est très fiable car il est peu sensible aux conditions opératoires, notamment de température, de pression et de durée, ce qui réduit les risques de mauvaise fabrication. Ces conditions peuvent être adaptées à l'alliage de brasure qui sera choisi, par exemple AgCu+Ti, Cu+Ti, Cu-Mn, etc. La forme de l'assemblage à fabriquer est relativement indifférente car la pression isostatique s'exerce dans tous ses recoins. Pour la réalisation de la figure 3, les rebords en corniche 14 appuient sur les pièces d'ancrage 4 et leur communiquent donc la pression. Un exemple de réalisation sera maintenant décrit. I1 concerne quatre tuiles 3 composés de fibres de carbone noyées dans une matrice constituée par du carbone, du silicium et du carbure de silicium, produites par la société SEP sous la référence NS31, et ces tuiles 3 sont brasées sur une couche 1 de cuivre pur de la nuance OFHC ("Oxide Free High Conductivity"). La brasure est un alliage à 63% de cuivre et 37% de manganèse préparé dans un creuset en alumine à 11000C sous une pression d'1 bar d'argon. Les pièces d'ancrage 4 sont en tungstène à 5% de nickel. Les tuiles 3 furent dépoussiérées dans un bain ternaire sous ultrasons, et la couche 1 et les pièces d'ancrage 4 furent dégraissées dans le même bain ternaire d'éthanol, d'éther et d'acétone. Les pièces furent juxtaposées selon le schéma de la figure 1, les couches de brasure étant intercalées entre les tuiles 3 et la couche 1. L'ensemble fut introduit dans une enveloppe 15 en acier d'un millimètre d'épaisseur qui fut ensuite fermée sous vide après un dégazage. Le cycle de brasage et de soudage fut réalisé par un cycle de compression isostatique à chaud comprenant un palier de 10 min sous une pression de 1000 bars et à une température de 890"C. L'enveloppe 15 fut ensuite découpée pour dévoiler le produit fini. L'assemblage fut ensuite soumis à dix chocs thermiques successifs consistant à le tremper dans de l'eau à température ambiante après l'avoir réchauffé à 4500C. Malgré la sévérité de ces essais de vieillissement, les tuiles restèrent solidaires de la couche 1, seul un léger décollement, de quelques microns de longueur, étant visible localement. Aucun décollement clairement attribué à la fatigue thermique n'était observable, même sur les bords de l'assemblage qui sont traditionnellement plus exposés. Par comparaison, un essai semblable fut entrepris avec un assemblage dépourvu des pièces d'ancrage 4, à l'issue duquel un décollement très important, de 250 um, fut observé au bord des tuiles 3. L'assemblage peut bien entendu être réalisé avec plusieurs alignements parallèles de tuiles 3, qui sont alors reliés par les pièces d'ancrage 4 : en général, tous les flancs des tuiles 3 (et pas seulement ceux qui sont visibles à la figure 1) sont avantageusement munis des pièces d'ancrage 4. Enfin, les pièces d'ancrage 4 peuvent être assemblées à la couche 1 par une brasure analogue à celle des tuiles 3 ou 13, au lieu d'une soudure sans matière d'apport comme on l'a décrit jusqu'ici. REVENDICATIONS 1. Assemblage en matière composite, composé d'une couche de support (1) métallique sur une face (2) de laquelle sont brasées des pièces de recouvrement (3) juxtaposées en céramique, caractérisé en ce qu'il comprend des pièces d'ancrage (4) fixées à ladite face et coincées contre des flancs (16) des pièces de recouvrement. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces d'ancrage comprennent des renflements (7, 9, 10) au-dessus de ladite face et qui s'accrochent aux pièces de recouvrement (3). 3. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les pièces de recouvrement (3) comprennent des rebords en corniche (14) qui couvrent les pièces d'ancrage. 4. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces de recouvrement (3) ont un coefficient de dilatation thermique plus grand que les pièces d'ancrage (4), ou égal. 5. Procédé de fabrication d'un assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces d'ancrage sont fixées à ladite face (2) de la couche de support (1) par un soudage par diffusion en phase solide réalisé pendant une étape de compression isostatique à chaud. 6. Procédé de fabrication d'un assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces d'ancrage sont fixées à ladite face (2) de la couche de support (1) par un brasage réalisé pendant une étape de compression isostatique à chaud. 7. Procédé de fabrication d'un assemblage selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'étape de compression isostatique à chaud sert aussi à braser les pièces de recouvrement (13) à la couche de support (1).