Brevet FR2782378A1 — publié le 20000218

Arrière-plan de l'invention L'invention a pour objet une pièce de structure comportant une partie en matériau thermostructural refroidie par circulation de fluide. L'invention trouve ses applications à la réalisation de structures exposées en service à des flux thermiques très élevés ou des conditions d'environ- nement agressives aux très hautes températures. Il s'agit notamment de structures de parois exposées à des flux de gaz chauds, par exemple des structures de paroi de chambre de combustion de réacteurs ou moteursfusées, ou de structures de parois exposées à un échauffement intense, par exemple des structures de parois de véhicules aérospatiaux, notamment lors de phases de rentrée dans l'atmosphère, ou encore de structures de parois formant écrans thermiques, par exemple dans des réacteurs de fusion nucléaire. En raison de leurs propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure, et de leur capacité à conserver ces propriétés jusqu'à des températures élevées, les matériaux composites thermostructuraux sont couramment utilisés dans de telles applications. Les matériaux sont notamment les matériaux composites carbone/carbone (C/C), comprenant un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbone, et les matériaux composites à matrice céramique (CMC) comprenant un renfort en fibres réfractaires (par exemple carbone ou céramique) densifié par une matrice céramique. Lorsque les matériaux composites thermostructuraux sont utilisés dans des conditions d'environnement très sévères (flux thermique intense ou atmosphère agressive notamment oxydante), une limitation de leur température de surface est nécessaire pour obtenir une durée de vie satisfaisante. Un moyen classique de refroidissement consiste à faire circuler un fluide de refroidissement, ou fluide caloporteur. Il a été proposé de réaliser les passages de circulation de fluide au sein même du matériau composite ou en face arrière de celui-ci. Du fait que les matériaux composites thermostructuraux présentent une porosité résiduelle inévitable en raison de leur mode de fabrication, il est nécessaire de garantir l'étanchéité des parois des passages de circulation de fluide. On pourra se référer par exemple au brevet US 5 583 895. Il a aussi été proposé de relier une partie en matériau composite à un substrat métallique, par exemple en cuivre, refroidi par circulation de fluide calo- porteur. Un problème difficile à résoudre est celui de la liaison entre deux parties ayant des coefficients de dilatation thermique sensiblement différents l'un de l'autre. On pourra se référer notamment au document WO 98/03 297. Ces pièces de structures connues posent donc des problèmes délicats pour leur élaboration. En outre, elles sont relativement massives, ce qui, au moins pour certaines applications, représente un inconvénient notable. Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer une pièce de structure ayant une partie en matériau composite thermostructural refroidie par circulation de fluide dont l'élaboration ne soulève pas les mêmes difficultés que dans l'art antérieur. L'invention a aussi pour but de proposer une telle pièce qui soit sensiblement plus légère que dans l'art antérieur. Ces buts sont atteints avec une pièce de structure comportant une partie en matériau composite thermostructural reliée à une paroi métallique munie de passages de circulation de fluide, pièce dans laquelle la partie en matériau composite thermostructural comprend une plaque et une pluralité de raidisseurs formant une seule pièce avec la plaque, et situés d'un côté de celles-ci, en étant espacés les uns des autres, et la paroi métallique est fixée sur les bords d'extrémité des raidisseurs. Ainsi, la partie en matériau composite thermostructural supporte les flux thermiques et les charges mécaniques et rayonne en face arrière vers la partie métallique, à travers les espaces entre raidisseurs. Ce découplage des effets thermiques et mécaniques permet, par contraste avec l'art antérieur, une simplification de la réalisation de la pièce de structure. Il en résulte notamment les avantages suivants: - la plaque en matériau composite thermostructural rigidifiée par les raidisseurs peut être mince, pour former simplement une peau, donnant sa légèreté à l'ensemble tout en assurant la fonction structurale, - la plaque en matériau composite étant exposée au flux thermique par sa face avant opposée à celle munie des raidisseurs, le transfert de chaleur se fait par conduction au travers de la plaque, par rayonnement dans les espaces situés entre les raidisseurs entre la face arrière de la plaque et la paroi métallique et par convection forcée dans le fluide parcourant les passages de la paroi métallique, - l'assemblage entre la paroi métallique et la partie en matériau composite thermostructural est réalisé uniquement sur les bords d'extrémité des raidisseurs, donc de façon discontinue et en des emplacements les plus éloignés de la plaque exposée au flux thermique; de ce fait, les contraintes thermomécaniques sont minimisées et l'assemblage est simplifié, - la fonction structurale étant assurée par la partie en matériau composite thermostrural, on pourra utiliser une paroi métallique mince sur laquelle des tubulures de circulation de fluide sont rapportées, minimisant ainsi la masse d'ensemble de la pièce, - l'assemblage entre la partie en matériau composite thermostructural et la paroi métallique peut être effectué, par exemple par brasage ou par liaison mécanique, au stade final de montage de la pièce, ce qui permet de réaliser des structures de forme complexe, par exemple à double courbure. L'invention a encore pour objet de fournir un procéde de fabrication de la pièce de structure définie ci-avant. Selon ce procédé, on réalise une préforme fibreuse de la partie en matériau composite par assemblage d'éléments de préforme correspondant à la plaque et aux raidisseurs, on densifie la préforme pour obtenir la partie en matériau composite, et on fixe la paroi métallique sur les bords d'extrémité des raidisseurs. Description sommaire des dessins Dans la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, de modes de réalisation de l'invention, il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation d'une pièce de structure conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe transversale montrant une variante de realisation de la pièce de la figure 1, - les figures 3A à 3C illustrent schématiquement les étapes successives d'un premier mode d'élaboration de la partie en matériau composite thermo- structural d'une pièce de structure telle que celle de la figure 1, - les figures 4A et 4B illustrent schématiquement les étapes successives d'un deuxième mode d'élaboration de la partie en matériau composite thermo- structural d'une pièce de structure telle que celle de la figure 1, et les figures 5A et 5B illustrent schématiquement les étapes successives d'un troisième mode d'élaboration de la partie en matériau composite thermostructural d'une pièce de structure. Description de modes préférés de réalisation La figure I montre en coupe transversale une pièce de structure comprenant une plaque mince, ou peau 10, en matériau composite, des raidisseurs 12 formant une seule pièce avec la peau 10, situés en face arrière 10a de celle-ci et espacés les uns des autres, et une paroi métallique 14 munie de passages 16 pour la circulation d'un fluide caloporteur et fixée sur les bords d'extrémité des raidisseurs. La partie comprenant la plaque 10 et les raidisseurs 12 est réalisée en matériau composite thermostructural, notamment en matériau composite C/C ou en CMC, par exemple en matériau composite C/SiC (renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbure de silicium ou essentiellement en carbure de silicium). La présence des raidisseurs 12 permet de conférer un caractère structural à la pièce de structure tout en ayant une plaque 10 et une paroi métallique 14 relativement minces, donnant à l'ensemble un caractère très peu massif. Les raidisseurs 12, dans l'exemple illustré, sont sous forme de nervures rectilignes parallèles les unes aux autres, délimitant des espaces 20 entre elles. La paroi métallique 14 est par exemple une plaque mince en cuivre sur la face arrière 14a de laquelle sont rapportées par soudage des tubulures 18 formant les passages 16. Dans l'exemple de la figure 1, la paroi métallique 14 est fixée sur les bords d'extrémité des raidisseurs 12 par brasage. A cet effet, on dépose une couche de brasure 22 sur les bords d'extrémité des raidisseurs, on amène la paroi métallique 14 munie des tubulures 18 au contact des raidisseurs munis de la brasure et on chauffe l'ensemble. La discontinuité de la liaison avec la paroi métallique et l'éloignement entre la zone de liaison et la peau 10 exposée au flux thermique limitent les contraintes thermomécaniques résultant de la différence entre les coefficients de dilatation du matériau composite thermostructural des raidisseurs 12 et du métal de la paroi 14, de sorte que le processus de brasage est simplifié. En particulier, une métallisation des bords des raidisseurs en vue de favoriser l'accrochage de la brasure peut ne pas être nécessaire. Parmi les matériaux de brasure utilisables, on peut citer par exemple les matériaux commercialisés sous les dénominations "Cu-ABA" ou TiCuSil par la société des Etats-Unis d'Amérique WESGO, INC. Dans l'exemple de la figure 2, la paroi métallique 14 est fixée sur les bords d'extrémité des raidisseurs 12 par des vis 24. Les vis sont par exemple en matériau métallique réfractaire, tel que molybdène ou alliages de molybdène, acier inoxydable, alliages de nickel et de cobalt, ou en matériau céramique. Afin de pouvoir recevoir les vis 24, les parties d'extrémité 12_ des raidisseurs sont de préférence élargies. Lors de son utilisation, la pièce de structure est exposée à un flux thermique du côté de la face avant 10a de la peau 10. Le transfert de chaleur se fait par conduction à travers la peau 10 puis par radiation dans les espaces 20 entre raidisseurs 12 vers la paroi 14, les calories étant ensuite reprises par le fluide caloporteur circulant dans les passages 16. Il n'y a pratiquement pas de conduction le long des raidisseurs 12. Du fait, en outre, de la minceur de la peau 10, le matériau constitutif de la peau 10 et des raidisseurs peut être choisi parmi des matériaux n'ayant pas nécessairement un fort coefficient de conductivité thermique. Selon les applications, et notamment les conditions d'environnement, on pourra donc choisir des matériaux composites C/C, ou des CMC, notamment, dans ce dernier cas, lors d'une utilisation en atmosphère oxydante. Parmi les matériaux CMC, les matériaux composites de types C/SiC peuvent être choisis. Les figures 3A à 3C illustrent un premier mode de réalisation d'un ensemble peau 10, raidisseurs 12. Des préformes fibreuses 10', 12' (figures 3A et 3B) sont réalisées séparément pour la peau 10 et les raidisseurs 12. Les préformes 10' sont par exemple obtenues par superposition de strates de texture fibreuse, telles que des strates de tissu ou de feutre, ou des nappes unidirectionnelles de fils ou de câbles superposées dans des directions différentes. Les strates peuvent être liées entre elles, par exemple par aiguilletage réalisé transversalement par rapport aux strates. Les préformes 12' sont à section transversale en forme de T. Elles peuvent être formées aussi par superposition de strates de texture fibreuse, celles-ci étant repliées à angle droit. Les préformes 12' peuvent être maintenues en forme par consolidation. A cet effet, les strates sont imprégnées par un liant et maintenues dans la forme désirée au moyen d'un outillage jusqu'à consolidation du liant. Le liant est par exemple une résine. La quantité de liant utilisé est choisie juste nécessaire pour conférer aux préformes la tenue suffisante pour être manipulées. Les préformes 12' sont assemblées à la préforme 10' (qui pourra aussi avoir été consolidée), par exemple par couture ou piquage (Fig. 3C). Ensuite, la densification par la matrice du matériau composite thermostructural est réalisée. Des techniques de densification par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur) ou par voie liquide (imprégnation par un précurseur de la matrice suivie d'un traitement thermique) pour la réalisation de composites C/C et de CMC sont bien connues. Le liant utilisé pour la consolida- tion des préformes 12' et, éventuellement, de la préforme 10' est soit éliminé par la chaleur, lors de la densification, soit transformé en résidu carboné lorsque le liant est par exemple une résine à taux de coke non nul. Les figures 4A et 4B illustrent un autre mode de réalisation de l'ensemble peau 10, raidisseurs 12. Une préforme fibreuse 13' comportant les parties de préforme de la peau 10 et des raidisseurs 12 est réalisée directement par empilement de strates de texture fibreuse auxquelles on confère les formes et dimensions nécessaires (Fig. 4A). La préforme 13' peut être consolidée mécaniquement par couture et piquage (Fig. 4B) avant densification par la matrice du matériau composite, ou être densifiée directement. Au moins au début du processus de densification, la préforme 13' est maintenue dans sa forme par un outillage. Enfin, les figures 5A et 5B illustrent encore un mode de réalisation de l'ensemble peau 10, raidisseurs 12. Une ébauche 15 sous forme d'une plaque épaisse en matériau composite thermostructural est réalisée (Fig. 5A) par densification de strates d'une préforme fibreuse 16 de texture fibreuse éventuellement liées entre elles par aiguilletage. Dans l'exemple illustré, les strates 16 sont superposées à plat. Les raidisseurs 12 sont formés par usinage des espaces 20 (Fig. 5B). Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une fabrication plus facile de la préforme du matériau composite thermrnostructural, mais a l'inconvénient d'entraîner une perte de matière importante. REVENDICATIONS 1. Pièce de structure comportant une partie (10, 12) en matériau composite thermostructural reliée à une paroi métallique (14) munie de passages (16) de circulation de fluide, caractérisée en ce que la partie en matériau composite comprend une plaque (10) et une pluralité de raidisseurs (12) formant une seule pièce avec la plaque, et situés d'un côté de celle-ci, en étant espacés les uns des autres, et la paroi métallique (14) est fixée sur les bords d'extrémité des raidisseurs (12). 2. Pièce de structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi métallique (14) est fixée sur les raidisseurs (12) par brasage. 3. Pièce de structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi métallique (14) est fixée sur les raidisseurs (12) par des moyens de liaison mécanique. 4. Pièce de structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau composite thermostructural est choisi parmi les matériaux composites carbone/carbone et les matériaux composites à matrice céramique. 5. Pièce de structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que le matériau composite thermostructural est un matériau composite de type carbone/ carbure de silicium. 6. Pièce de structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la paroi métallique (14) est une plaque munie, sur une de ses faces, de tubulures (18) définissant les passages de circulation de fluide. 7. Procédé de fabrication d'une pièce de structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: - réaliser une préforme fibreuse de la partie en matériau composite par assemblage d'éléments de préforme correspondant à la plaque et aux raidisseurs, - densifier la préforme pour obtenir la partie en matériau composite, et - fixer la paroi métallique sur les bords d'extrémité des raidisseurs. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on réalise séparément des préformes de la plaque et des raidisseurs, et l'on assemble lesdites préformes avant densification. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'assemblage des préformes est réalisé par piquage ou couture. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on réalise une préforme de la partie en matériau composite comprenant les parties de préforme de la plaque et des raidisseurs par superposition et mise en forme de strates de texture fibreuse. 11. Procédé de fabrication d'une pièce de structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: - réaliser une préforme fibreuse par superposition de strates de texture fibreuse - densifier la préforme fibreuse pour obtenir une ébauche - usiner l'ébauche afin de former les raidisseurs par enlèvement de la matière occupant l'espace entre ceux-ci, et - fixer la paroi métallique sur les bords d'extrémité des raidisseurs. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les strates de texture fibreuse superposées sont liées entre elles par aiguilletage.