Brevet FR2989462A1 — publié le 20131018

Indicateur de surchauffe pour pièce en matériau composite à matrice de résine Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne la détection de l'exposition de pièces en matériau composite à des températures limites. Le domaine d'application de l'invention concerne plus 10 particulièrement, mais non exclusivement, les pièces en matériau composite à matrice organique utilisées dans des moteurs aéronautiques tels que des turbopropulseurs. Dans les moteurs aéronautiques, la plupart des pièces était jusqu'ici réalisées en matériau métallique. Afin d'alléger la masse de ces pièces, 15 une grande partie d'entre elles, et en particulier celles constitutives de l'habillage du moteur telles que les capots ou carter ainsi que les éléments de support de ces pièces, ou encore des pièces faisant partie de l'ensemble de la soufflante du moteur, est maintenant réalisée en matériau composite, c'est-à-dire que les pièces sont formées d'un renfort 20 fibreux densifié par une matrice organique telle que par exemple une résine thermodurcissable ou thermoplastique, ou encore une résine précurseur de carbone ou de céramique. Cependant, les résines utilisées pour constituer la matrice du matériau composite ont des températures de transition vitreuse 25 relativement basses, par exemple de l'ordre de 180°C. Dans des conditions normales d'utilisation, les pièces en matériau composite ne sont pas censées être exposées à des températures proches ou supérieures de celle de transition vitreuse de la résine de la matrice. Toutefois, dans certain cas comme, par exemple, lors d'un disfonctionnement d'un 30 équipement voisin conduisant à l'émission de flux thermiques ou lors d'erreurs pendant la maintenance du moteur (par exemple fuite sur canalisation d'air chaud), la pièce peut être exposée à de telles températures. Si la température vue par la pièce est proche ou dépasse la température de transition vitreuse de la résine, cela peut avoir des 35 conséquences sur l'usure et l'intégrité du matériau composite de la pièce. Aussi, il est nécessaire de pouvoir détecter si une pièce en matériau composite à matrice organique, carbone ou céramique a été exposée des niveaux de températures déterminés et en particulier des niveaux de température considérés comme susceptibles d'avoir un impact sur l'usure ou la tenue mécanique de la pièce. Objet et résumé de l'invention A cet effet, selon l'invention, il est proposé un indicateur de surchauffe destiné à être placé sur ou à proximité d'une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique, carbone ou céramique, caractérisé en ce que ledit indicateur comprend au moins un plot s'étendant entre une première extrémité formant une base fixation et une deuxième extrémité libre et en ce que chaque plot est constitué d'un matériau présentant une température de transition vitreuse déterminée. Ainsi, sous l'effet d'une température proche ou supérieure de sa température de transition vitreuse, le matériau d'un plot perd ses capacités mécaniques. Dans ce cas, le plot s'affaisse progressivement en fonction de son inertie thermique vis-à-vis du niveau de température rencontré et de la durée d'exposition à cette température. L'indicateur selon l'invention forme ainsi un témoin fiable et simple à mettre en oeuvre qui permet, par une simple inspection visuelle, d'indiquer si la pièce en matériau composite à laquelle il est associé a été exposée à un ou plusieurs niveaux de température prédéfinis. Selon un premier aspect de l'invention, l'indicateur comprend une pluralité de plots, chaque plot ayant une section de dimension différente par rapport à la section des autres plots. Il est ainsi possible d'ajuster l'inertie thermique des plots et de définir pour chaque plot une température déterminée et/ou une durée d'exposition à une température donnée à partir desquelles le plot va s'affaisser. On dispose ainsi d'un indicateur de surchauffe apte à indiquer graduellement des niveaux d'exposition thermiques auxquels la pièce a été soumise. Les plots de la pluralité de plots sont de préférence disposés adjacents les uns des autres et dans un ordre de dimension de section croissante ou décroissante afin de former une échelle d'indication de température graduelle. Selon un deuxième aspect de l'invention, chaque plot présente une forme tronconique. Chaque plot peut également présenter une forme cylindrique, polygonale ou autre. Selon un troisième aspect de l'invention, l'indicateur comprend une pluralité de plots, au moins un plot de la pluralité de plots étant constitué d'un matériau présentant une température de transition vitreuse différente de la température de transition vitreuse du ou des autres plots de la pluralité de plots. On dispose ainsi d'un indicateur apte à caractériser des expositions à des températures différentes définies par la température de transition vitreuse des résines utilisées pour réaliser les plots. Les plots peuvent être notamment réalisés en résine ou en tout autre matériau présentant une température de transition vitreuse adaptée. Selon un quatrième aspect de l'invention, au moins un plot est constitué d'une résine identique à la résine de la matrice de la pièce en matériau composite. Dans ce cas, l'indicateur de surchauffe est apte à indiquer une exposition à une température à laquelle la matrice de la pièce est directement sensible. Selon un cinquième aspect de l'invention, au moins un plot est constitué d'une résine différente de la résine de la matrice de la pièce en matériau composite. Dans ce cas, l'indicateur de surchauffe est apte à indiquer une exposition à une température différente de celle de transition vitreuse de la matrice de la pièce. L'indicateur peut, par exemple, être apte à indiquer une exposition à une température inférieure à celle de transition vitreuse de la matrice de la pièce mais qui est considérée comme susceptible d'avoir un impact sur l'usure et/ou la tenue mécanique de la pièce et qui doit, à ce titre, pouvoir être détectée. Selon un sixième aspect de l'invention, l'indicateur comprend en outre une enceinte de protection contenant chaque plot, ladite enceinte de protection étant réalisée en un matériau ayant une température de fusion supérieure à la température de transition vitreuse de chaque plot. Les plots peuvent être ainsi protégés vis-à-vis d'objets ou autres pouvant entrer en contact avec ces derniers et les endommager. La présente invention concerne également une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique, carbone ou céramique, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un indicateur de surchauffe selon l'invention, ledit indicateur étant fixé sur une partie de la pièce en matériau composite. La présente invention concerne encore un turbopropulseur comprenant au moins une pièce en matériau composite selon l'invention ou un turbopropulseur comprenant au moins une pièce en matériau composite et au moins un indicateur de surchauffe selon l'invention disposé dans le turbopropulseur à proximité de ladite pièce en matériau composite. La présente invention concerne enfin un aéronef comprenant au moins un turbopropulseur selon l'invention. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce en matériau composite munie d'un indicateur de surchauffe conformément à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en perspective montrant l'indicateur de surchauffe de la figure 1 après exposition de celui-ci à des flux thermiques de surchauffe, la figure 3 est une vue schématique en perspective d'une 20 pièce en matériau composite munie d'un indicateur de surchauffe conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue schématique en perspective montrant l'indicateur de surchauffe de la figure 2 après exposition de celui-ci à des flux thermiques de surchauffe. 25 Description détaillée de modes de réalisation L'invention s'applique d'une manière générale à la détection de surchauffes subies par des pièces en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique. 30 La fabrication de ces pièces est bien connue et débute par la réalisation d'une structure fibreuse qui peut être sous différentes formes, telles que : - tissu bidimensionnel (2D), - tissu tridimensionnel (3D) obtenu par tissage 3D ou 35 multicouches, - tresse, - tricot, - feutre, - nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelle (nD) obtenue par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et liaison des nappes UD entre elles par exemple par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage. On peut aussi utiliser une structure fibreuse formée de plusieurs couches superposées de tissu, tresse, tricot, feutre, nappes ou autres, lesquelles couches sont liées entre elles par exemple par couture, par implantation de fils ou d'éléments rigides ou par aiguilletage. Les fibres constitutives de la structure fibreuse sont notamment des fibres réfractaires, c'est-à-dire des fibres en céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC), des fibres en carbone ou même encore des fibres en un oxyde réfractaire, par exemple en alumine (A1203). Après éventuellement une mise en forme et une consolidation, la structure fibreuse est alors densifiée. La densification de la structure fibreuse consiste à combler la porosité de la structure, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice. La matrice du matériau composite est obtenue de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide. Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la structure fibreuse par une résine liquide contenant un précurseur du matériau de la matrice. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère éventuellement dilué dans un solvant. La structure fibreuse est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée. Ensuite, on referme le moule et on injecte la résine dans tout le logement pour imprégner la texture fibreuse. La transformation du précurseur en matrice, à savoir sa polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule. La matrice peut être une matrice organique telle qu'une résine thermoplastique ou thermodurcissable. On forme dans ce cas une pièce en matériau composite à matrice organique (CMO). La matrice organique peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, telle que la résine époxyde à hautes performances vendue sous la référence PR 520 par la société CYTEC. La matrice peut être également une matrice céramique ou carbone. Dans le cas de la formation d'une matrice carbone ou céramique, le traitement thermique consiste à pyrolyser le précurseur organique pour transformer la matrice organique en une matrice carbone ou céramique selon le précurseur utilisé et les conditions de pyrolyse. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques, tandis que des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité. Afin de pouvoir indiquer si la pièce ainsi fabriquée a été exposée à des températures prédéfinies comme, par exemple, des températures proches ou supérieures de la température de transition vitreuse de la résine constitutive de la matrice du matériau de la pièce, un indicateur de surchauffe conforme à l'invention est associé à la pièce. La figure 1 illustre un indicateur de surchauffe 100 conformément à un mode de réalisation de l'invention. L'indicateur 100 est fixé sur une pièce 10 réalisée en matériau composite à matrice organique comme décrit ci-avant. Dans l'exemple décrit ici, la pièce 10 est réalisée à partir d'une texture fibreuse en fibre de carbone densifiée par une résine époxyde et correspond à une pièce de moteur aéronautique présente au niveau de la partie de soufflante du moteur comme par exemple un bras de fixation du carter de soufflante. Dans l'exemple décrit ici, l'indicateur 100 comprend cinq plots 110, 111, 112, 113 et 114 tous réalisés avec la même résine époxyde que celle utilisée pour la densification de la texture fibreuse de la pièce 10. Les plots 110 à 114 s'étendent respectivement entre une première extrémité 110a à 114a formant une base de fixation sur laquelle repose chaque plot et une deuxième extrémité libre 110b à 114b. Dans le présent exemple, les plots 110 à 114 présentent tous une forme tronconique mais ont chacun des dimensions différentes. Plus précisément, chaque plot présente à une hauteur donnée entre sa première extrémité 110a à 114a et sa deuxième extrémité 110b à 114b une section de dimension différente par rapport à la section des autres plots à la même hauteur. Les plots présentent de préférence une même hauteur et des dimensions de section croissante d'un plot à l'autre afin d'obtenir des plots 5 ayant une résistance croissante vis-à-vis de la température. Dans l'exemple décrit ici, le plot 110, ayant la section la plus faible des plots de l'indicateur, sera le premier à se déformer sous l'effet de la température tandis que le plot 114, ayant la section la plus importante, sera le dernier à de déformer. En calibrant les dimensions des plots, il est possible 10 d'ajuster l'inertie thermique de chaque plot de manière à définir une température seuil et/ou une durée d'exposition à une température déterminée qui conduiront à la déformation du plot. En cas de déformation d'un tel plot, il est alors possible de savoir qu'au moins la partie de la pièce en matériau composite sur laquelle l'indicateur de surchauffe est placé a 15 été exposée à des températures susceptibles d'avoir endommagé ladite pièce. Par exemple, la figure 2 montre la pièce 10 avec son indicateur 100 après une certaine durée d'utilisation. On voit sur la figure 2 que les plots 110 et 111 se sont affaissés tandis que les plots 112 à 114 sont 20 restés intacts. Cela indique au technicien qui réalise une inspection visuelle de la pièce 10 que celle-ci a été exposée à des températures équivalentes à celle de transition vitreuse de la résine constitutive de la matrice de la pièce mais sur une durée relativement brève puisque les plots 112 à 114, ayant une inertie thermique plus importante que celle des 25 plots 110 et 111, ne se sont pas déformés. Dans l'exemple décrit ici, l'indicateur 100 comprend en outre une enceinte de protection 120 à l'intérieur de laquelle sont placés les plots 110 à 114. Les plots sont ainsi protégés de tout contact ou chute d'objet lors du fonctionnement ou des opérations de maintenance de la 30 pièce tout en restant bien exposés vers l'extérieur pour jouer leur rôle d'indicateur de surchauffe. Dans le cas de l'utilisation d'une enceinte de protection servant de support aux plots, ces derniers sont formés indépendamment de la pièce et rapportés sur cette dernière après sa fabrication, par exemple au moyen de vis de fixation 121. L'enceinte de 35 protection contenant les plots peut être également fixée sur la pièce par d'autres moyens tels que par collage ou brasage. L'enceinte de protection est réalisée en un matériau ayant une température de fusion supérieure à la température de transition vitreuse des plots, par exemple en matériau métallique tel que de l'Inconel®. Une grille de protection peut être en outre placée sur l'enceinte de protection afin d'accroître encore la protection des plots vis-à-vis lors des manipulations de la pièce. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un indicateur de surchauffe 200 conforme à l'invention qui diffère de l'indicateur 100 décrit ci-avant en ce qu'il n'utilise pas d'enceinte de protection. Dans ce mode de réalisation, l'indicateur de surchauffe 200 comprend cinq plots 210 à 214 réalisés avec la même résine que celle utilisée pour former la matrice du matériau composite d'une pièce 20. Dans ce cas, les plots 210 à 214 sont formés, soit directement avec la pièce lors de la polymérisation de la résine utilisée pour densifier la structure fibreuse de la pièce, soit rapportés (collés) sur celle-ci après sa fabrication. La figure 4 montre la pièce 20 avec son indicateur 200 après une certaine durée d'utilisation. On voit sur la figure 4 que les plots 210 à 214 ont tous été déformés, ce qui indique au technicien qui réalise une inspection visuelle de la pièce 20 que celle-ci a été exposée soit à des températures équivalentes à celle de transition vitreuse de la résine constitutive de la matrice de la pièce sur une durée relativement longue, soit que la pièce a été exposée à des températures supérieures à celle de transition vitreuse de la résine constitutive de la matrice de la pièce sur une durée plus courte. Dans les deux cas, il est possible de déduire que la pièce a été exposée à des flux thermiques susceptibles de l'endommager. Dans les exemples décrits ci-avant, les plots des indicateurs de surchauffe sont réalisés avec la même résine que celle constitutive de la matrice du matériau de la pièce comme, par exemple, une résine thermodurcissable ou thermoplastique, ou une résine précurseur de carbone ou de céramique. Cela permet d'avoir des plots ayant une température de transition vitreuse correspondant à celle de la matrice de la pièce. Toutefois, l'indicateur de surchauffe selon l'invention peut comporter un ou plusieurs plots réalisés avec des résines différentes de celle du matériau de la pièce, c'est-à-dire des résines ayant des températures de transition vitreuse différentes. On obtient ainsi un indicateur de surchauffe capable d'indiquer que la pièce a été exposée à des températures différentes de celle de transition vitreuse de sa matrice. Les plots de l'indicateur de surchauffe de l'invention peuvent être réalisés avec d'autres matériaux qu'une résine. D'une manière générale, tout matériau présentant la température de transition vitreuse adéquate peut être utilisé pour réaliser les plots. Les plots décrits ci-avant présentent une forme tronconique. Néanmoins, les plots de l'indicateur de surchauffe de la présente invention peuvent présenter diverses autres formes comme une forme polygonale ou cylindrique par exemple. En outre, les plots peuvent présenter un diamètre ou une largeur de section constante entre leurs deux extrémités. Le ou les indicateurs de surchauffe de l'invention sont placés sur la pièce ou à proximité de celle-ci à des emplacements correspondants à des zones susceptibles de recevoir des flux thermiques pouvant dépasser les températures acceptables pour le matériau de la pièce comme des zones proches de joints de tuyauterie, d'équipement à fort dégagement de chaleur, de réservoirs, etc. REVENDICATIONS1. Indicateur de surchauffe (100) destiné à être placé sur ou à proximité d'une pièce (10) en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, caractérisé en ce que ledit indicateur comprend au moins un plot (110) s'étendant entre une première extrémité (110a) formant une base fixation et une deuxième extrémité libre (110b) et en ce que chaque plot est constitué d'un matériau présentant une température de transition vitreuse déterminée. 2. Indicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de plots (110, 11, 112, 113, 114), chaque plot ayant une section de dimension différente par rapport à la section des autres plots. 3. Indicateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque plot (110 ; 111 ; 112 ; 113 ; 114) présente une forme 20 tronconique. 4. Indicateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de plots, au moins un plot de la pluralité de plots étant constitué d'un matériau présentant une 25 température de transition vitreuse différente de la température de transition vitreuse du ou des autres plots de la pluralité de plots. 5. Indicateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que au moins un plot (110 ; 111 ; 112 ; 113 ; 114) est 30 constitué d'une résine identique à la résine de la matrice de la pièce (10) en matériau composite. 6. Indicateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que au moins un plot est constitué d'une résine 35 différente de la résine de la matrice de la pièce en matériau composite. 7. Indicateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une enceinte de protection (120) contenant chaque plot (110 ; 111 ; 112 ; 113 ; 114), ladite enceinte de protection étant réalisée en un matériau ayant une température de fusion supérieure à la température de transition vitreuse de chaque plot. 8. Pièce (10 ; 20) en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice de résine, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un indicateur de surchauffe (100 ; 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ledit indicateur étant fixée sur une partie de la pièce en matériau composite. 9. Turbopropulseur comprenant au moins une pièce en matériau composite selon la revendication 8. 10. Turbopropulseur comprenant au moins une pièce en matériau composite et au moins un indicateur de surchauffe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 disposé dans le turbopropulseur à proximité de ladite pièce en matériau composite. 11. Aéronef comprenant au moins un turbopropulseur selon la revendication 10. 20