Brevet FR2819803A1 — publié le 20020726

PROCEDE DE FABRICATION D'UN PORTE-CREUSET EN CARBONE/CARBONE ET PORTE-CREUSET OBTENU La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un portecreuset en carbone/carbone et couvre aussi le porte-creuset ainsi obtenu. Un tel procédé permet de réaliser des porte-creusets, de façon économique notamment pour l'industrie du silicium car le carbone/carbone permet de mettre en oeuvre les techniques de croissance des cristaux de silicium, notamment la technique de tirage à partir d'un germe, connue aussi sous le nom de tirage Czrochalsky. En effet, le silicium fondu et liquide est contenu dans un creuset en silice qui est, lui, supporté mécaniquement par un porte-creuset en carbone. Il faut réaliser ces étapes de tirage dans d'excellentes conditions de propreté afin d'obtenir un silicium lui-même très pur. Cette matière première étant destinée à être dopée, il convient que le monocristal ne se trouve pas pollué par des impuretés. Par contre les porte-creusets en carbone étant fragiles, cette fragilité est particulièrement pénalisante lorsque les montages et démontages sont fréquents, lorsque les pièces sont manutentionnées ou encore du fait des sollicitations thermiques cycliques. Or pour le cas d'un porte-creuset, on rencontre en plus des problèmes lors du retrait du creuset en silice de son porte-creuset, ce qui doit être fait à chaque cycle. En effet, des problèmes de collage sont engendrés et la corrosion du silicium conduit à des pertes d'épaisseur du creuset, ce qui complique d'autant la tâche. Lors des phases de chauffage, il existe des problèmes supplémentaires générés par les gradients thermiques et par les dilatations différentielles car les deux matériaux ont des comportements différents. Il est donc important d'adapter la géométrie du porte-creuset au creuset pour permettre une meilleure extraction et une meilleure préhension. Une autre source de la courte durée de vie des porte-creusets est due aux modes d'assemblage eux-mêmes des pièces élémentaires qui constituent le produit final car les liaisons supportent mal les chocs et les surcharges ponctuelles comme dans le cas de mise en place de taraudages. On peut dès lors avantageusement remplacer le graphite par un matériau Carbone/Carbone dont la tenue mécanique est supérieure. On sait que lorsque l'on porte du carbone à des températures supérieures à 2 000 oC voire 2 400 C, la graphitisation du carbone conduit à un matériau possédant des caractéristiques mécaniques améliorées. La purification du graphite s'obtient par passage en atmosphère chlorée. Les brevets US-A-5 683 281, US-A-5 858 486 traitent de ce sujet. Pour réaliser des substrats tissés, de nombreuses techniques sont utilisées et l'on peut citer le brevet US-A-5 858 486 qui décrit un substrat tissé à deux dimensions et le procédé associé de positionnement des fibres. Dans le brevet US-A-5 207 992, le composite est obtenu par bobinage, en faible épaisseur. Un procédé connu de mise en forme d'un tissu en 2D pré-imprégné par un ensemble poinçon/matrice est divulgué dans la demande de brevet JP-A- 10324591. L'objet de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone qui est simple c'est-à-dire dont le nombre d'étapes pour arriver au produit fini est réduit, tout en respectant la pureté chimique nécessaire et en visant des caractéristiques mécaniques suffisantes. La mise en forme est un problème car du fait des formes complexes des produits à obtenir, les techniques antérieures qui recourent aux étapes connues de bobinage et de drapage, obligent à réaliser plusieurs pièces élémentaires en Carbone/Carbone qui doivent ensuite être assemblées. Le procédé selon l'invention permet une très grande adaptabilité ou conformabilité initiale en sorte de réduire le nombre de pièces nécessaires et même d'obtenir un substrat directement à la forme finale de la pièce. Un autre problème à résoudre est également celui d'obtenir une épaisseur suffisante du porte-creuset pour atteindre les caractéristiques mécaniques recherchées, ce qui est aussi résolu par le procédé selon l'invention. Dans le cas du porte-creuset en Carbone/Carbone, il convient de veiller à supprimer tout risque de délaminage et le présent procédé interdit toute amorce de clivage inter-couches. Le procédé selon la présente invention est maintenant décrit en détail. Des dessins sont annexés pour montrer les porte-creusets obtenus selon le procédé mis en oeuvre. Ainsi les différentes figures des dessins représentent : - figure 1, une vue en perspective d'un creuset selon la présente invention, - figure 2, une vue en coupe de ce même creuset, faisant apparaître le piquage de liaison, - figure 3, une vue d'une variante avec un renfort, et - figure 4, une vue d'un porte-creuset avec une pièce amovible formant soupape. Une armature dite en 2 D est une armature à renforts fibreux orientés dans deux directions mais sa résistance mécanique est très faible dans le sens perpendiculaire. Les clivages peuvent se produire facilement en fabrication, ce qui rend une telle armature difficilement utilisable dans les applications envisagées. Une fois le matériau fabriqué, la matrice ne suffit pas à assurer une cohésion satisfaisante dans certaines applications si bien qu'il peut y avoir des risques de délaminage. Dans le cas d'une armature en 3 D, la fragilité dans le sens perpendiculaire est supprimée car la structure dispose de fibres orientées suivant les trois axes d'un trièdre ou suivant un système polaire. Néanmoins, l'espacement trop important entre les couches des fils et les cavités de grandes dimensions ainsi générées posent des problèmes pour la maîtrise de l'épaisseur et perturbent la densification. De plus, des armatures de ce type sont difficilement conformables. Le brevet FR-A-2 610 951, au nom du demandeur, décrit un procédé de réalisation d'une armature tissée particulière dite 2,5 D. Cette armature 2,5 D consiste à entrelacer les fils de chaîne et les fils de trame afin d'obtenir un matériau présentant une excellente résistance perpendiculairement au plan de l'armature sans qu'il y ait pourtant de fils perpendiculaires à cette armature. Il est alors possible de conformer cette armature qui autorise, malgré un très fort taux de fibres, un bon fluage de la matrice gazeuse ou liquide suivant le procédé de densification retenu. On connaît aussi par les brevets français FR-A-2 753 993 et FR-A-2 718 757, des armatures de type 3, 5D et 4,5D qui procurent les mêmes avantages. L'isotropie de ces matériaux permet d'augmenter la résistance mécanique et ces matériaux peut trouver un intérêt dans la fabrication d'un porte-creuset pour lequel on recherche une forte résistance et/ou une grande raideur. Quant au problème de la fragilité des liaisons que le graphite peut présenter, il est résolu dans la présente invention pour les pièces en Carbone/Carbone en recourant à des procédés d'assemblage connus. On peut se référer au brevet FR-A-2 687 174, au nom du même demandeur, dont le contenu doit être considéré comme compris dans la description de la présente demande. Ce brevet décrit un procédé d'assemblage de pièces par piquage sans nouage d'un fil continu, que les pièces soient superposées ou qu'elles présentent une angulation l'une par rapport à l'autre. Le brevet FR-A-2 718 757, également au nom du même demandeur, complète ce procédé d'assemblage de pièces par piquage, en introduisant des boucles à travers plusieurs épaisseurs comprimées, les fils étant simplement maintenus par friction à travers les épaisseurs. L'enseignement de ce document doit être considéré comme contenu dans la présente description. Le procédé selon la présente invention consiste à réaliser un portecreuset directement avec un tissu sec ou pré-imprégné au moins en 2, 5D. Dans la cas d'un porte-creuset, il faut prévoir une géométrie particulière. La première adaptation est un porte-creuset avec une forme légèrement conique formant, en section, un angle de dépouille lorsque le creuset est cylindrique par exemple, voir figure 1. Une autre adaptation consiste à réaliser des entures dans les parois, notamment dans les parties cylindriques, de façon à permettre une meilleure compatibilité et plus de souplesse car la différence des coefficients de dilatation thermique entre la silice du creuset et le Carbone/Carbone du portecreuset est importante. On peut aussi prévoir des renforts en pied de porte-creuset par une couche 15 de renfort, supplémentaire, liée à la partie creuse du porte-creuset par la technique de liaison par couture, ainsi que montré sur la figure 3. On peut aussi prévoir des renforts en partie haute du porte-creuset en y rapportant des tissus ou encore simplement par la mise en forme du 2,5D qui permet de générer des renforts 14 localement. Le procédé de fabrication d'un porte-creuset selon la présente invention est maintenant décrit en détail et consiste en la succession des étapes qui vont suivre. On réalise le tissu sec en 2,5 D, notamment avec les caractéristiques suivantes : - 17 niveaux de tissage de fibres de carbone, - 4 mm d'épaisseur après polymérisation, - 30 fils/cm dans le sens chaîne, - 16 fils/cm dans le sens trame, - taux de fibres dans le sens chaîne : 20% - taux de fibres dans le sens trame : 40%, et - masse surfacique de 4 kg/m2. Dès la sortie du métier à tisser, les lés sont découpés sur une largeur donnée de 1,5 m et sur une longueur nécessaire de 1,5 m par exemple pour un porte-creuset de diamètre 50 cm environ. Les lés ainsi découpés doivent être exempts de traces d'eau et un passage à l'étuve à 80 oC pendant deux heures permet d'en avoir la certitude. Les lés ainsi séchés doivent être imprégnés d'une résine. Ceci est réalisé au trempé par lots, dans ce mode de mise en oeuvre. La solution de trempage est, de façon connue, une résine phénolique de grande pureté diluée dans un solvant alcool, ce qui facilite l'imprégnation. Le dosage de résine est de l'ordre de 5 kg par mètre carré de tissu pour du 2,5D. Les lés sont ensuite égouttés sur des claies recouvertes d'un film en polyéthylène en sorte d'éviter tout accrochage par collage du lé sur les claies. Les lés sont ensuite séchés par passage à l'étuve à 45 C. Les lés, après avoir été ainsi imprégnés, sont découpés suivant un plan de découpe donné qui prévoient : - une pièce pour effectuer le drapage de la partie support 10 du portecreuset, et - les disques de tissu qui formeront le piédestal 12 du porte-creuset. On peut même prévoir de conserver un morceau découpé comme témoin de la prise de masse de résine. L'étape suivante consiste à fabriquer le piédestal par piquage. Les disques découpés sont empilés puis assemblés par piquage selon l'enseignement de l'un des deux brevets FR-A-2 687 174 ou FR-A-2 718 757. Ce piédestal est lui-même rapporté par couture sur la pièce de tissus découpée en sorte de réaliser la partie sphéro-conique du porte-creuset. Cet ensemble lié est alors mis en forme sur un poinçon de forme sphéroconique conjuguée et prévu pour recevoir une contre-forme. Le drapage permet de mettre en place l'ensemble sur le poinçon. La partie sphérique est représentative de la base du porte-creuset tandis que la partie conique est représentative de la partie supérieure. Le drapage est débuté par une stabilisation des fibres neutres sens trame et sens chaîne. Lorsque cette étape est terminée, le tissu épouse parfaitement la partie sphérique et on applique la contre-forme sur cette partie pour assurer le maintien des fibres ainsi positionnées. Sur la partie conique, il se présente des variations 14 d'épaisseur et de préférence, les fibres sont croisées à angle aigu et regroupées le long de génératrices situées à 900 les unes des autres. Ces surépaisseurs locales autorisent éventuellement des points d'accrochage pour un insert de manutention. On assure ensuite l'opération de marouflage en sorte de préparer la mise sous vessie de l'ensemble. Des clinquants métalliques formant une jupette permettent de recouvrir l'ensemble. On met en place les tissus à délaminer, les tissus de drainage, les tampons, les valves et un film d'étanchéité dans les zones nécessaires. On vérifie l'étanchéité au vide de l'ensemble ainsi constitué puis on polymérise. La polymérisation est réalisée par passage à l'étuve à 1 800 C maximum. Après démarouflage consistant en un retrait de l'ensemble des accessoires de mise sous vessie, le porte-creuset est de préférence protégé dans une enveloppe pour éviter sa pollution durant les manipulations. Le porte-creuset peut subir un usinage de sa partie cylindro-conique pour notamment mettre aux dimensions et parfaire le bord. De même le piédestal peut subir un usinage particulier pour lui donner une géométrie conjuguée à celle du support qui doit le recevoir au sein du four de tirage quand il s'agit de l'industrie du silicium. Par contre, la partie interne du portecreuset n'est pas soumise à usinage car les dimensions sont à la cote finale, ce qui supprime tout risque de pollution inhérent à de tels usinages. Le porte-creuset est ensuite soumis à une étape de pyrolyse avec les conditions suivantes : - température comprise entre 1 700 et 2 200 C - balayage d'azote, et - vide de l'ordre de 10 mbar Cette étape dure environ 48 heures. Ensuite et éventuellement dans le même four si sa configuration le permet, dans un souci d'économie, le porte-creuset pyrolysé subit un dépôt de carbone en phase vapeur jusqu'à ce que la densité soit voisine de 1,7. Les conditions sont les suivantes : - température comprise entre 950 et 1 100 C, - balayage de méthane, et - vide de l'ordre de 10 mbar. Cette étape dure de l'ordre de 400 heures, en fonction de la température et de la densité recherchée. Après refroidissement, le piédestal subit un usinage éventuel de finition. Les porte-creusets devant être utilisés dans l'industrie du silicium, il convient de les purifier et une solution consiste à faire subir à ces produits un traitement à très haute température et éventuellement un passage au chlore. Les conditions sont plus particulièrement : - température de 1 700 à 2 9000C, - balayage à l'azote ou au chlore, et - vide de 10 mbar environ. La durée est de l'ordre de 48 heures. Les résultats des essais sur des éprouvettes issues de tels portecreusets montrent des caractéristiques mécaniques suivantes : - car de traction dans le sens trame : 100-130 Mpa - gon de traction dans le sens chaîne : 240-280 Mpa En ce qui concerne les impuretés, les taux d'impuretés relevés, après traitement au chlore, sont tout à fait compatibles avec la demande car ils sont inférieurs à 0,5 ppm sauf pour la silice qui peut être présente à raison de quelques ppm. En variante de réalisation d'un porte-creuset selon l'invention, il est possible de faire varier les taux de fils de chaîne et de trame. Pour augmenter les dimensions, une solution consiste à solidariser des lés par aboutage. Les lisières sont superposées et cousues par les techniques de piquage indiquées ci-avant. On peut aussi ménager des fentes sur les bords, dans l'épaisseur, par effet de chaîne. Il suffit de découper une demi-épaisseur au droit de la fente et de superposer les deux demi-épaisseurs puis de lier par piquage. Ceci permet d'éviter les surépaisseurs. Afin de perfectionner le porte-creuset et de répondre au problème du retrait du creuset en silice, il est possible de prévoir au fond du porte-creuset, un logement 16 conique dans lequel est logée un pièce 18 de même nature mais amovible telle une soupape en sorte de décoller le creuset du portecreuset. Une représentation est montrée sur la figure 4. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a)-tissage d'une armature en 2,5D à partir de fils de carbone, pré- imprégnés, b)-découpe d'au moins une pièce prévue pour constituer un support cylindro-conique et d'au moins une pièce prévue pour former un piédestal, c) - assemblage par piquage de ces pièces pour réaliser un porte- creuset, d)-mise en forme des ces pièces ainsi assemblées sur un poinçon et une contre-forme, et e)-polymérisation. 2. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour sa mise en forme, le portecreuset subit une opération de marouflage pour une mise en place dans une vessie prévue pour être mise en dépression et assurer un pressage isostatique et une immobilisation dudit ensemble pendant la polymérisation. 3. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la polymérisation de ce portecreuset est réalisée à 180 C. 4. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise une pyrolyse du porte-creuset polymérisé à une température comprise entre 1 7000C et 2 200 C sous balayage d'azote avec un vide de l'ordre de 10 mbar. 5. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on procède à une densification par voie gazeuse du porte-creuset jusqu'à obtention de la densité recherchée. 6. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon la revendication 5, caractérisé en ce que la densification par voie gazeuse est réalisée à une température comprise entre 950 et 1 000 OC sous balayage de méthane. 7. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dernière étape de chauffage pour la densification est suivie d'une étape de purification à très haute température comprise entre 1 700 C et 2 900 C, sous vide ou sous atmosphère de chlore. 8. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces découpées sont assemblées par un piquage sans nouage d'un fil continu. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces élémentaires découpées sont assemblées par un piquage comprenant l'introduction de boucles à travers les différentes épaisseurs, les fils étant maintenus par friction. 10. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone par mise en oeuvre de l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce l'on utilise un tissu en 2,5D qui présente les paramètres suivants : - 17 niveaux de tissage de fibres de carbone, - 4 mm d'épaisseur après polymérisation, - 30 fils/cm dans le sens chaîne, -16 fils/cm dans le sens trame, - taux de fibres dans le sens chaîne : 20% - taux de fibres dans le sens trame : 40%, et - masse surfacique de 4 kg/m2. 11. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le porte-creuset présente une forme légèrement conique formant, en section, un angle de dépouille. 12. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise, au fond du porte-creuset, un logement conique dans lequel est logée un pièce de même nature mais amovible. 13. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise des entures dans les parois. 14. Procédé de fabrication d'un porte-creuset en Carbone/Carbone selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on ajoute une couche de renfort supplémentaire liée à la partie creuse du portecreuset par piquage. 15. Porte-creuset en Carbone/Carbone obtenu par la mise en oeuvre de 'lune quelconque des revendications précédentes.