Brevet FR2850369A1 — publié le 20040730

PROCEDE DE REALISATION D'UN REVETEMENT DE PROTECTION THERMIQUE A COUCHES INCLINEES ET STRUCTURES OBTENUES La présente invention concerne des structures soumises à des échauffements très importants, telles que par exemple des boucliers de rentrée de véhicules spatiaux ou des éléments d'un système de propulsion tels qu'un divergent de tuyère. Ces structures sont particulièrement sollicitées, car, outre leur résistance à des températures qui peuvent atteindre ou dépasser 30001C, elles doivent conserver de bonnes propriétés mécaniques, ceci étant particulièrement le cas pour les divergents de tuyère qui ont aussi une fonction structurale de reprise de la poussée. De plus, on demande à ces structures d'avoir une fonction aérodynamique, c'est-à-dire d'assurer un bon écoulement des gaz et donc de conserver une forme inchangée malgré les effets de l'ablation due aux températures élevées. Les matériaux utilisés pour ces types de structures sont souvent des 15 matériaux composites thermostructuraux composés par exemple de fibres de SiO2, " Nextel ", SiC ou de carbone (pour les plus hautes températures) disposés sous forme de fils, de tissus 2D ou même de préformes textiles 3D. Les matrices peuvent être céramiques à base de SiO2, SiC ou C, ou bien à base de résines à haut taux de coke comme les résines phénoliques ou 20 furaniques, ou certaines résines silicones qui, lors de la pyrolyse, donnent suivant le cas du carbone ou de la silice. La présente invention concerne plus particulièrement les structures constituées ou recouvertes d'une succession de couches inclinées formées de fibres noyées dans une matrice appropriée, les couches formant un angle par rapport à la surface sur laquelle elles sont déposées. Ce type d'architecture est bien connu. US 3140968 décrit un procédé permettant de réaliser une structure, communément appelée " clino ", consistant en un enroulement hélicodal autour d'un mandrin cylindrique d'une bande, suivant des couches successives toutes inclinées d'un même angle par rapport à une génératrice du 10 mandrin, le premier tour d'enroulement étant réalisé en appui sur une cale de départ donnant l'angle d'inclinaison des couches successives. Le matériau enroulé sur le mandrin est une bande de fibres préimprégnées par exemple une bande de tissu. Le but de l'invention est d'optimiser la masse des pièces du type 15 bouclier, divergent de tuyère ou analogue, intégrant une structure " clino " en sorte d'assurer aux lanceurs, propulseurs, ou véhicules spatiaux munis de telles pièces une charge utile la plus élevée possible, tout en conférant aux pièces en question une résistance mécano-aéro- thermique optimisée, c'est-àdire ajustée localement. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un revêtement de protection thermique à couches inclinées par bobinage sur une surface de révolution à partir d'une bande de fibres pré-imprégnées, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer lesdites couches sous un angle constant par rapport à la surface de dépose en ajustant localement ladite 25 inclinaison en sorte de privilégier dans la ou les zones considérées l'ablation et/ou la conductivité thermique, puis, après polymérisation du revêtement, à usiner la surface exposée au flux aérodynamique, en sorte d'ajuster localement l'épaisseur dudit revêtement. L'invention s'applique à la réalisation d'un revêtement sur des surfaces 30 de révolution à profil constant, par exemple des surfaces cylindriques, ou coniques, mais également à des surfaces de révolution à profil évolutif tel que celui des boucliers de rentrée ou des divergents de tuyère. L'invention a également pour objet les revêtements obtenus conformément au procédé ainsi que les structures intégrant de tels revêtements telles que boucliers, divergents ou autres. On va maintenant décrire deux applications de l'invention à la réalisation 5 d'un divergent de tuyère et d'un bouclier de rentrée en se reportant aux dessins annexés sur lesquels: - Figure 1 est une demi-vue en coupe axiale d'un divergent de tuyère dont la paroi est constituée d'un revêtement selon l'invention; - Figure 2 est une demi-vue en coupe axiale d'un bouclier de rentrée de véhicule spatial; - Figure 3 est un schéma illustrant un dispositif apte à la réalisation de structures selon la revendication 1 ou 2, et - Figure 4 est une bande constituée de tronçons de tissu de fibres pré- imprégnées utilisable avec le dispositif de la Figure 3. Sur la figure 1, on a représenté en demi-coupe axiale un divergent de tuyère 1 dont la paroi 2, de profil évolutif, est constituée d'une structure selon l'invention, à savoir d'une succession de couches 3 d'égale épaisseur inclinée d'un même angle a par rapport à la surface 20 interne de ladite paroi 2 qui est la surface exposée au flux aérodynamique (flèche a). Toutefois, localement, les couches 3 peuvent avoir une inclinaison légèrement différente de la valeur aE, soit en plus, soit en moins. On sait, en effet, que dans une structure " clino ", l'ablation est 25 directement liée à l'inclinaison des couches. Plus les couches sont de faible inclinaison par rapport à la surface à protéger, plus l'ablation est importante. Si l'on veut améliorer l'ablation, c'est-à-dire, la réduire, il faut augmenter l'angle d'inclinaison des couches. S'agissant de la conductivité thermique, plus l'angle d'inclinaison des couches sera important et meilleure sera la conductivité. A épaisseur de revêtement égale, la conductivité thermique est moins bonne avec un angle d'inclinaison des couches plus faible. En effet, le chemin privilégié de propagation de la chaleur dans un matériau composite étant les fibres, la chaleur mettra plus de temps à traverser le 5 revêtement via des couches inclinées présentant une largeur plus importante que celle des couches moins inclinées. Le procédé de l'invention va ainsi permettre par exemple dans la zone 2a de la paroi du divergent 1 proche du col de tuyère, de donner aux couches 3' une inclinaison c' par rapport à la surface interne du 10 divergent plus importante que l'inclinaison cc dans la zone 2b proche de la sortie du divergent, en sorte de réduire les effets de l'ablation, ce qui est souhaitable dans cette zone 2a particulièrement sollicitée à la sortie du col de tuyère. Par ailleurs, cette augmentation de l'inclinaison entraînant 1 5 concomitamment une légère augmentation de la conductivité thermique, pour à la fois compenser cette perte d'isolation thermique et renforcer cette dernière, on va, conformément à l'invention, donner à la paroi du divergent en cette zone 2a, une épaisseur supérieure à celle de la paroi en zone 2b moins sollicitée thermiquement. Cet ajustement de l'épaisseur de la paroi du divergent s'effectue après polymérisation du revêtement en autoclave, par un usinage de la face interne du divergent au cours duquel on enlèvera davantage de matière dans la zone 2b que dans la zone 2a. Ainsi, d'un bout à l'autre du profil du divergent, on pourra optimiser la 25 masse du divergent, c'est-à-dire la réduire le plus possible, tout en donnant en chaque point de la paroi les propriétés physiques les plus appropriées au flux aérodynamique régnant en cet endroit, ceci étant obtenu en jouant sur l'inclinaison des couches conjuguée à une adaptation de l'épaisseur de la paroi. Dans la zone 2b du divergent les conditions du flux aérodynamique sont moins sévères, on peut donc réduire davantage l'épaisseur de la paroi 2 et incliner un peu plus les couches 3. L'ablation sera certes favorisée, mais cela n'a pas de conséquences car le flux est dans cette zone réduit. Quant à la conductivité thermique, sa réduction entraînée par la réduction d'épaisseur sera compensée par une plus forte inclinaison des couches 3. Les variations d'épaisseur de la paroi 2 et de l'inclinaison (aE, cL') des couches (3, 3') peuvent être par paliers ou, mieux, continues le long du profil du divergent depuis le col de tuyère (2a) jusqu'à l'extrémité (2b) du divergent. Sur la figure 2, on a représenté en demi-coupe axiale un bouclier 4 de 10 rentrée de véhicule spatiale dont la paroi 5, également de profil évolutif, est constituée d'une structure selon l'invention, à savoir d'une succession de couches (5a, 5b) d'égale épaisseur inclinées d'un même angle f3 par rapport à la surface interne de ladite paroi 5. En b est représenté le sens d'écoulement du flux aérodynamique sur la 15 face externe du bouclier et en C est représentée une calotte de nez rapportée. Tout comme pour le divergent 1 de la figure 1, le bouclier 4 peut comporter une zone 4a proche de la calotte C avec des couches 5a dont l'inclinaison D est légèrement supérieure à celle des couches 5b de 20 la zone 4b proche du bord extérieur du bouclier et des ajustements locaux d'épaisseur de la paroi 5 du bouclier peuvent être réalisés lors de l'usinage de la face externe. Les buts de la maîtrise ajustée à la fois de l'angle f3 et de l'épaisseur sont les mêmes que pour le divergent 1, à savoir réduction de masse et 25 amélioration des propriétés de tenue mécanique et de résistance à l'échauffement. Les angles (x, ac', f sont avantageusement autour de 200 d'un bout à l'autre du profil de la pièce. La figure 3 illustre un dispositif de bobinage apte à la réalisation de 30 structures selon les figures 1 et 2 et la figure 4 représente une bande fibreuse apte à la réalisation, à l'aide du dispositif de la figure 3, de telles structures. Sur la figure 3, on a schématisé, vu en coupe axiale, un mandrin 6 entraîné en rotation autour de son axe 7 par un moteur M, le mandrin étant métallique ou en une mousse de matière plastique appropriée. Le matériau de dépose sur le mandrin 6 est un ensemble 8 formé (figure 5 4) d'une bande fibreuse continue 9, par exemple d'une longueur de plusieurs centaines, voire milliers de mètres et d'une largeur de quelques dizaines de millimètres, prise en sandwich entre deux films séparateurs 1 0 et 1 1 de mêmes longueur et largeur. Plus précisément, la bande fibreuse 9 est constituée de tronçons 10 aboutés 9a d'un tissu de fils de chaîne et de trame faisant avec l'axe de la bande 9 un angle différent respectivement de 0 et de 90 . Chaque tronçon 9a est flanqué de deux tronçons de séparateur 1 Oa et 1 l a respectivement, aboutés et réunis par des éléments adhésifs 1 2 à cheval sur lesdits tronçons 1 Oa, 1 1 a. 1 5 L'ensemble 8 est stocké sur une bobine d'approvisionnement 1 3 munie d'un système de dévidage symbolisé en F permettant de freiner de manière contrôlée l'acheminement de l'ensemble 8 vers un jeu 14 de galets de guidage et présentation de l'ensemble 8 à un poste 1 5 de dépose de la bande fibreuse 9. Le poste de dépose 1 5 disposé au-dessus du mandrin 6 comporte un dispositif applicateur chargé de presser la bande 9 contre la couche inclinée précédente qui vient d'être déposée sur le mandrin et constitué d'un rouleau cylindrique 1 6 porté par un dispositif (non représenté) assurant trois degrés de liberté audit rouleau 1 6. Au droit du galet de sortie 14a de l'ensemble 14, est effectué le détachement de l'un des séparateurs 1 0, 11, en l'occurrence le séparateur dit interne 10 qui se trouve sur la face de la bande 9 destinée à être plaquée contre la dernière couche déposée sur le mandrin 6. A cet effet, l'ensemble 8 est pincé entre ledit dernier galet 14a et un galet 30 séparateur 17 sur lequel s'enroule le séparateur interne 10 pour être ensuite rembobiné automatiquement sur une bobine 18. La bande 9 et le séparateur restant 11, dit séparateur externe, sont dirigés sur le rouleau 16, le séparateur externe étant interposé entre le rouleau 16 et la bande 9. Sur une fraction de tour du mandrin 6, le séparateur 11 est plaqué contre la 5 bande 9 puis détaché pour être rembobiné sur la même bobine 18 que le séparateur interne 10. La bobine 18 est entraînée par exemple par un moteur pneumatique MP à couple et à vitesse de rotation variable. Ainsi, la bande 9 est de manière régulière et optimale pressée contre la 10 couche précédente par le séparateur 11 qui fait office de courroie de transmission mue par la rotation du mandrin 6. La bande fibreuse 9 n'est pas soumise à l'effort de traction qui est la résultante de l'effort moteur généré par le mandrin et de l'effort résistant procuré par le système de dévidage (13, F). Il est facile de contrôler cet 15 effort et d'automatiser la dépose par un système pilote P à commande numérique programmée contrôlant la vitesse de rotation du mandrin 6, le freinage du dispositif F, le rembobinage des séparateurs sur la bobine 18 et commandant les déplacements et le positionnement du rouleau 16. La bande fibreuse 9 ne subit comme déformation que celle se développant 20 au moment du placement de la bande sur la couche précédente, la bande passant alors d'une forme rectiligne à une forme cintrée. Grâce à l'inclinaison possible de l'axe du rouleau 1 6 et en utilisant un mandrin 6 aux formes et dimensions du divergent 1 ou du bouclier 4 il est possible de déposer sur le mandrin des couches telles que les 25 couches 3, 3', 5a, 5b suivant une inclinaison constante (a, y) par rapport à la surface de dépose et susceptible d'ajustements localisés et de réaliser ainsi lesdits divergent 1 et bouclier 4. Par ailleurs, afin de réduire les frictions entre le rouleau 16 et le séparateur 11 inévitables puisque le rouleau est un corps cylindrique roulant sur une 30 surface non-plane, le rouleau 16 est avantageusement constitué d'un empilage de galets de faible épaisseur et de même diamètre libres en rotation sur l'axe du rouleau. Ainsi, chacun des galets adapte sa vitesse de rotation en fonction de son emplacement le long de l'axe du rouleau et quel que soit le rayon du mandrin 6. Pour plus de détails sur le fonctionnement du dispositif de la figure 3 on 5 pourra utilement se reporter à la demande de brevet déposée ce même jour au nom de la demanderesse et intitulée " procédé de dépose sur un support de couches fibreuses successives inclinées à partir d'une bande continue ". Il est à noter que tous types de bandes fibreuses, conventionnelles ou 10 non, à franges, en forme de tresse, peuvent être utilisées dans le procédé de l'invention. Bien entendu, les structures des figures 1 et 2 ou toute autre structure de révolution à profil évolutif constituée ou recouverte d'un revêtement protecteur thermique à couches successives inclinées conformes à 1 5 l'invention, peuvent être réalisées par d'autres moyens de bobinage que ceux décrits ci-dessus à titre d'exemple uniquement. Par ailleurs, les matériaux utilisés pour la réalisation de pièces selon l'invention peuvent être de tous types comme indiqué plus haut dans le préambule, aussi bien pour ce qui concerne les fibres, que pour ce qui 20 concerne les matrices. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de réalisation d'un revêtement de protection thermique à couches inclinées par bobinage sur une surface de révolution à partir d'une bande de fibres pré-imprégnées, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer lesdites couches (3, 3', 5a, 5b) sous un angle (a, à) constant par rapport à la 5 surface de dépose en ajustant localement ladite inclinaison en sorte de privilégier dans la zone considérée l'ablation et/ou la conductivité thermique, puis, après polymérisation du revêtement à usiner la surface exposée au flux aérodynamique, en sorte d'ajuster localement l'épaisseur dudit revêtement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dépose des 10 couches (3, 3'; 5a, 5b) est réalisée sur une surface de profil évolutif. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'évolution de l'inclinaison (a, ax', P3) des couches (3, 3'; 5a, 5b) et de l'épaisseur du revêtement est continue ou par paliers d'une extrémité à l'autre du revêtement. 4. Revêtement de protection thermique à couches inclinées obtenu conformément au procédé selon l'une des revendications 1 à 3. 5. Revêtement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bande de fibres est un tissu dont les fils de chaîne et de trame font avec l'axe de la bande un angle différent respectivement de 0 à 900. 6. Revêtement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couches inclinées (3, 3'; 5a, 5b) sont formées d'une bande hélicodale continue (9) constituée de tronçons aboutés (9a) sans aucune surépaisseur au droit des jonctions. 7. Revêtement selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce 25 que l'inclinaison (a, a', 13) des couches (3, 3'; 5a, 5b) est aux alentours de 20 . 8. Pièce de révolution constituée par ou intégrant un revêtement selon l'une des revendications 4 à 7. 9. Pièce de révolution selon la revendication 8, constituée par un divergent de tuyère (1). 10. Pièce de révolution selon la revendication 8, constituée par un bouclier (4) de rentrée pour véhicule spatial.