Brevet FR3004499A1 — publié le 20141017

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des pompes et particulièrement des pompes d'injection de suspensions de particules solides en milieu liquide, et notamment de barbotines pour la production de pièces en composite à matrice céramique. On entend par composites à matrice céramique (CMC) des matériaux incorporant des fibres dans une matrice céramique. Par rapport aux céramiques monolithiques, les composites à matrice céramique présentent l'avantage d'une fragilité réduite, puisque les fibres empêchent la propagation de microfissures dans la matrice céramique, et ceci même quand les fibres sont elles-mêmes en matière céramique. Ainsi, les composites à matrice céramique permettent de combiner une plus grande résistance mécanique aux propriétés notamment thermiques des matériaux céramiques. Ces propriétés offrent aux composites à matrice céramique un grand potentiel dans les applications avec des contraintes mécaniques et thermiques très élevées, comme par exemple dans les parties chaudes de turbomachines. Dans ces applications, les composites à matrice céramique et notamment les composites à matrice céramique du type dit Oxyde/Oxyde, intégrant des fibres d'oxyde dans une matrice d'oxyde permettent de réduire la masse des pièces tout en augmentant leur résistance mécanique et thermique. Parmi les fibres pouvant être utilisées dans des tels composites Oxyde/Oxyde, on compte notamment les fibres d'alumine, aluminosilicate, silice, etc. Des telles fibres sont commercialisées par exemple par la société 3M® sous les marques NextelTM 610 (correspondant à des fibres d'alumine) et NextelTM 720 (correspondant à des fibres d'alumine et silice). Parmi les matrices pouvant être utilisées, on compte aussi l'alumine, les aluminosilicates ou la silice, par exemple, ainsi que la mullite, la zircone, ou des combinaisons de plusieurs de ces substances. Parmi les procédés utilisés pour la production de pièces en composite à matrice céramique, et plus spécifiquement en composite à matrice céramique de type Oxyde/Oxyde, on compte notamment des procédés dans lesquels une barbotine, c'est-à-dire une suspension de particules solides en milieu liquide, est injectée sous pression dans une préforme formée par les fibres du composite. Les particules solides, qui sont des particules de matière céramique, s'infiltrent ainsi dans les interstices entre les fibres pour former au moins en partie la matrice céramique du matériau composite. Cette suspension ne peut normalement se maintenir que pendant une période de temps limitée dépendant de la charge et nature des particules solides et des concentrations de dispersant et de liant dans le milieu liquide. Une agitation permanente ou intermittente de la barbotine peut permettre de prolonger cette période de stabilité. Pour assurer une bonne infiltration de la préforme par la barbotine, il peut être souhaitable de commander un débit volumique d'injection de cette barbotine dans la préforme. Pour cela, on peut notamment utiliser des pompes d'injection à piston ou à vis sans fin. Ces pompes à commande de débit volumique présentent toutefois normalement l'inconvénient de rendre plus difficile l'intégration de moyens permettant l'agitation de la barbotine au coeur de la pompe avant et pendant l'injection. Objet et résumé de l'invention L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Notamment, la présente description vise à proposer un pompe d'injection comprenant une chambre apte à contenir une suspension de particules solides en milieu liquide et présentant au moins un orifice de sortie, et au moins un piston mobile dans ledit chambre pour expulser ladite suspension à travers ledit orifice de sortie, qui permette de prolonger le temps de stabilité de la suspension par son agitation, tout en permettant aussi une commande directe du débit volumique expulsé à travers l'au moins un orifice de sortie. Cette suspension de particules solides en milieu liquide peut notamment être une barbotine destinée à infiltrer une préforme pour former la matrice céramique d'un matériau composite. Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait que la pompe d'injection comprend aussi au moins un organe vibratoire fixé audit piston mobile ou à une paroi dudit cylindre opposée audit piston mobile. L'au moins un organe vibratoire pourra ainsi introduire une agitation dans le contenu de la chambre sans former un obstacle à la course du piston. L'organe vibratoire peut notamment comprendre une sonde de sonification. On entend par « sonde de sonification » un organe servant à amplifier mécaniquement l'amplitude d'une vibration, typiquement de fréquence ultrasonique, et présentant normalement une longueur 5 sensiblement égale à une demi-longueur d'onde de cette vibration et deux segments à sections transversales différentes, la section transversale d'un segment proximal étant sensiblement plus grande que la section transversale d'un segment distal. Grâce à sa forme spécifique, une telle sonde de sonification entre en résonance quand son extrémité proximale 10 est excitée par une vibration avec une longueur d'onde, dans le matériau de la sonde, égale ou suffisamment proche au double de la longueur de la sonde, amplifiant cette vibration à l'extrémité distale, qui vibre dans une direction longitudinale avec une amplitude qui augmente en fonction du rapport entre les sections transversales des segments distal et proximal. 15 Pour son excitation, la sonde de sonification peut être mécaniquement couplée à un convertisseur piézoélectrique. Un tel convertisseur piézoélectrique est apte à convertir en vibration mécanique un voltage électrique oscillant généré par un générateur auquel le convertisseur est connecté à travers une connexion électrique. 20 L'organe vibratoire peut en particulier être en saillie vers l'intérieur de la chambre, de manière à mieux assurer l'agitation au sein du contenu de la chambre. En outre, afin d'obtenir une agitation homogène à travers la chambre, la pompe peut notamment comprendre au moins un premier organe vibratoire fixé audit piston mobile et au moins un deuxième organe 25 vibratoire fixé à ladite paroi opposée de la chambre. Ledit premier organe vibratoire et ledit deuxième organe vibratoire peuvent en particulier ne pas en regard suivant un axe de déplacement dudit piston mobile dans la chambre, et être latéralement décalés l'un par rapport à l'autre afin notamment d'éviter leur impact lors du déplacement du piston vers la 30 paroi opposée. En outre, cet arrangement permet aussi d'augmenter l'homogénéité de l'agitation à travers la chambre, surtout quand une pluralité de premiers organes vibratoires est fixée au piston et une pluralité de deuxièmes organes vibratoires est fixée à la paroi opposée. Afin d'assurer l'actionnement du piston, la pompe peut comprendre 35 en outre un dispositif d'actionnement dudit piston mobile, tel que, par exemple, un actionneur électrique ou fluidique. En particulier, elle peut comprendre aussi une unité de commande connectée audit dispositif d'actionnement et configurée pour commander un débit volumique en sortie de la pompe d'injection. La présente description concerne également un procédé d'utilisation de la pompe d'injection, dans lequel ledit au moins un organe vibratoire maintient une agitation dans une suspension de particules solides en milieu liquide contenue dans ladite chambre. Simultanément et/ou successivement à cette agitation, ledit piston mobile peut être déplacé en direction de la paroi opposée de la chambre pour expulser ladite suspension à travers l'au moins un orifice de sortie suivant une commande de débit volumique. Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une pompe d'injection suivant un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la chambre de la pompe d'injection de la figure 1, avec le piston dans une première position ; - la figure 3 est une vue de détail de la figure 2 ; - la figure 4 est une première vue en coupe transversale, suivant la ligne IV-IV, de la chambre de la figure 2 ; - la figure 5 est une deuxième vue en coupe transversale, suivant la ligne V-V de la chambre de la figure 2 ; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale de la chambre de la pompe d'injection de la figure 2, avec le piston dans une deuxième position. Description détaillée de l'invention Une pompe d'injection 1 suivant un mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 1. Cette pompe d'injection 1 est une pompe à commande de débit comprenant une chambre délimitée par un carter 2, une première flasque formant un piston mobile dans la chambre, et une deuxième flasque 3 formant une paroi opposée au piston mobile suivant la direction de déplacement de ce dernier et présentant un orifice de sortie 4. La pompe 1 comprend aussi un dispositif 5 d'actionnement de la première flasque, avec un moteur 6 couplé à des écrous 7 pour leur entraînement, lesdits écrous 7 engageant des arbres filetés 8 pour convertir le mouvement rotatif du moteur 6 et des écrous 7 en un mouvement axial des arbres filetés 8 avec la deuxième flasque. Le moteur 6 est connecté à une unité de commande 9 configurée pour commander une vitesse de rotation du moteur 6 et donc un débit volumique proportionnel en sortie de la pompe 1. Ce moteur 6 peut être un moteur électrique, et notamment un moteur pas-à-pas, mais d'autres alternatives peuvent également être envisagées, comme par exemple un actionneur fluidique. La pompe 1 est destinée à injecter une barbotine, c'est-à-dire une suspension de particules céramiques solides en milieu liquide, dans une préforme, afin d'infiltrer les particules céramiques dans les interstices entre des fibres formant cette préforme. Le milieu liquide de la barbotine comprend un dispersant, pour maintenir les particules solides en suspension avant et pendant l'injection dé la barbotine, et un liant pour les lier entre elles et aux fibres de la préforme après l'injection. En conséquence, la suspension n'est normalement stable au repos que pendant une période de temps limitée suivant la charge cs en particules solides et les concentrations cl, cd en liant et dispersant dans la barbotine. Or, ceci pourrait poser une contrainte importante dans l'utilisation de la pompe 1, puisque avant et pendant l'injection la barbotine est contenue dans la chambre susmentionnée. Afin de s'affranchir de telles contraintes, la pompe 1 comprend aussi des moyens d'agitation du contenu de la chambre. Ces moyens d'agitation sont illustrés en particulier sur la figure 2. Ils sont formés par des organes vibratoires comprenant des sondes de sonification 10 couplées à des convertisseurs piézoélectriques 11 et fixées à la première flasque 12 et à la deuxième flasque 3. Plus spécifiquement, dans le mode de réalisation illustré, trois sondes de sonification 10 sont fixées à la deuxième flasque 3 autour de l'orifice de sortie 4 situé au centre de celle-ci, comme illustré notamment sur la figure 4, et une autre sonde de sonification 10 est fixée à la première flasque 12 au centre de celle-ci, comme illustré sur la figure 5. L'unique sonde 10 de la première flasque 12 n'est en regard d'aucune des sondes de la deuxième flasque 3, ce qui empêche qu'elle puissent entrer en collision lors du déplacement du piston formé par cette première flasque 12 vers la paroi opposée formée par la deuxième flasque 3, et ceci même si les extrémités distales des sondes 10 sont en saillie vers l'intérieur de la chambre 20 délimitée par les flasques 12, 3 et le carter 2. Le carter 2 comprend aussi, autour de la chambre 20, un échangeur de chaleur 21 à travers lequel peut circuler un fluide de refroidissement pour évacuer la chaleur générée par l'agitation de la barbotine dans la chambre 20. Chaque sonde de sonification 10, comme celle illustrée en détail sur la figure 3, présente une longueur I sensiblement égale à une demi- longueur d'onde de la vibration à introduire dans la barbotine, lors de sa propagation à travers le matériau de la sonde 10, qui peut être par exemple un alliage de titane. Chaque sonde 10 présente, dans cette longueur I, deux segments à sections transversales différentes, le segment proximal ayant un diamètre D sensiblement plus grande que le diamètre d du segment distal, de manière à ce que la vibration, introduite à la base du segment proximal, soit amplifiée dans son amplitude à l'extrémité opposée du segment distale en proportion au rapport entre leurs sections transversales. Des sondes de ce type sont par exemple vendues sous la marque Sonics® par la société Sonics & Materials, Inc. Les convertisseurs piézoélectriques 11 sont connectés électriquement à des générateurs 13 configurés pour générer un courant électrique oscillant avec une fréquence correspondant à une fréquence propre des sondes 10 avec une puissance P. Ainsi, en fonctionnement, ce courant oscillant produit une vibration mécanique des convertisseurs piézoélectriques 11, vibration amplifiée par les sondes de sonification 10 et transmise au volume VB de barbotine contenu dans la chambre 20 délimitée par les flasques 12, 3 et la paroi cylindrique 2. Cette vibration, qui peut être continue ou intermittente, c'est-à-dire alternant des périodes ton de vibration des sondes 10 avec des périodes toff de repos, agite la barbotine et permet de maintenir ses particules solides en suspension pendant une période ts plus prolongée. Ainsi, par exemple, un volume VB de 400 ml d'une barbotine ayant une charge cs de 33% en volume de particules solides d'oxyde d'aluminium d'une taille moyenne de 0,3 micromètre en suspension aqueuse avec de l'acide nitrique comme dispersant et du polyacétate de vinyle comme liant, peut être maintenu en suspension pendant une période ts d'au moins 15 minutes, en étant soumis à une puissance de sonification Ps de 300 W pendant des périodes de vibration ton de 5 secondes, alternées avec des périodes de repos toff de 3 secondes. Alternativement ou en complément au refroidissement de la chambre 20, il est aussi possible de limiter la montée en température de la barbotine en pilotant la durée des périodes alternées de vibration et de repos en fonction de la température de la barbotine, telle que détectée, par exemple, par un capteur installé aussi dans la chambre 20. Quand la barbotine doit finalement être injectée dans une préforme, le dispositif d'actionnement 5 est activé pour déplacer la première flasque 12 en direction de la deuxième flasque 3, comme illustré sur la figure 6. Un joint torique 14 assure l'étanchéité du pourtour de la première flasque 12 pendant son déplacement. La vitesse de déplacement de la première flasque 12 est régulée par l'unité de commande 9 de manière à obtenir un débit volumique souhaité en sortie de la pompe 1. L'agitation de la barbotine et le refroidissement de la chambre 20 peuvent être maintenus pendant cette étape d'injection afin d'assurer la fluidité de la barbotine dans la pompe 1. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Pompe (1) d'injection d'une suspension de particules solides en milieu liquide, comprenant : une chambre (20) apte à contenir ladite suspension et présentant au moins un orifice de sortie (4) ; et au moins un piston mobile (12) dans ladite chambre (20) pour expulser ladite suspension à travers ledit orifice de sortie (4) ; caractérisée en ce qu'elle comprend aussi au moins un organe vibratoire 10 fixé audit piston mobile ou à une paroi (3) de ladite chambre (20) opposée audit piston mobile (12). 2. Pompe (1) suivant la revendication 1, dans laquelle l'organe vibratoire comprend une sonde de sonification (10). 3. Pompe (1) suivant la revendication 2, dans laquelle la sonde de 15 sonification (10) est couplée mécaniquement à un convertisseur piézoélectrique (11). 4. Pompe (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'organe vibratoire est en saillie vers l'intérieur de la chambre (20). 20 5. Pompe (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un premier organe vibratoire fixé audit piston mobile (12) et au moins un deuxième organe vibratoire fixé à ladite paroi (3) opposée de la chambre (20). 6. Pompe (1) suivant la revendication 5, dans laquelle le premier 25 organe vibratoire et le deuxième organe vibratoire ne sont pas en regard suivant un axe de déplacement dudit piston mobile (12) dans la chambre (20). 7. Pompe (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif (5) d'actionnement dudit 30 piston mobile (12). 8. Pompe (1) suivant la revendication 7, comprenant en outre une unité de commande (9) connectée audit dispositif d'actionnement (5) et configurée pour commander un débit volumique en sortie de la pompe (1). 35 9. Procédé d'utilisation d'une pompe (1) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un organevibratoire maintient une agitation dans une suspension de particules solides en milieu liquide contenue dans ladite chambre (20). 10. Procédé suivant la revendication 9, dans lequel ledit piston mobile (12) est déplacé en direction de la paroi opposée (3) de la 5 chambre (20) pour expulser ladite suspension à travers l'au moins un orifice de sortie (4) suivant une commande de débit volumique.