Brevet FR3055625A1 — publié le 20180309

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces en matériau composite et concerne notamment une préforme fibreuse tissée destinée à former le renfort fibreux d'une telle pièce. Lors de la fabrication de pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC), il est courant de déposer un revêtement d'interphase, comprenant par exemple du nitrure de bore BN ou du carbure de silicium SiC, sur les fibres céramiques de la préforme fibreuse. La préforme peut être ensuite densifiée par une matrice. Le dépôt de l'interphase et la densification de la préforme peuvent être effectués par un procédé du type infiltration chimique en phase gazeuse (CVI). Pour réaliser le dépôt du revêtement d'interphase et la densification d'une préforme de forme complexe, il est nécessaire d'utiliser un conformateur permettant de mettre en forme la préforme et de la maintenir en forme dans le four utilisé pour la CVI. Les conformateurs doivent ainsi être capables de supporter les conditions de température et de pression imposées pendant le procédé CVI et être dimensionnés avec précision. Pour cela, on utilise généralement des conformateurs en graphite, qui sont usinés aux dimensions de la pièce et percés d'évents pour laisser le gaz pénétrer dans la préforme. De tels conformateurs en graphite sont difficiles à usiner et couteux à mettre en oeuvre. En outre, ils présentent une durée de vie limitée à cause de leur fragilité, et des dépôts successifs sur leurs surfaces qui modifient leurs dimensions dès une dizaine de cycles d'utilisation dans un four de CVI. Il existe donc un besoin pour une préforme fibreuse et pour un 30 procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite qui permettent de s'affranchir de l'utilisation d'un cOnformateur, notamment pour le dépôt d'un revêtement d'interphase ou pendant la densification de la préforme. Objet et résumé de l'invention 35 La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une préforme fibreuse tissée à partir d'une 3055625 2 pluralité de fils ou torons, la préforme étant destinée à former le renfort fibreux d'une pièce en matériau composite, la préforme comprenant en outre une armature intégrée constituée d'un alliage à mémoire de forme apte à se conformer suivant une forme prédéfinie lorsqu'il est exposé à 5 une température de transition. La préforme fibreuse selon l'invention est remarquable en ce qu'elle comprend une armature intégrée constituée d'un alliage à mémoire de forme. L'armature a pour rôle de maintenir la préforme dans sa forme sans avoir besoin d'utiliser un outillage spécifique de maintien. L'alliage à 10 mémoire de forme de l'armature permet de mettre en forme la préforme automatiquement après exposition de la préforme à une température supérieure ou égale à la température de transition de l'alliage à mémoire de forme. Pour ce faire, il suffit de donner à l'armature, lors de sa conception (par exemple par fonderie), la forme finale voulue pour la 15 préforme mise en forme, de façon connue en soi. En outre, le matériau de l'armature peut résister à des conditions de température et de pression qui pourront être imposées par exemple durant une étape de densification dans un four. Ainsi, il est possible de mettre en forme la préforme fibreuse avant sa densification sans outillage, et de procéder à sa densification par 20 voie gazeuse en s'affranchissant de l'emploi d'un outillage de maintien tel qu'un conformateur en graphite. Dans un exemple de réalisation, l'alliage à mémoire de forme peut être choisi parmi les suivants : NiTi, CuAINi, CuAIBe. Dans un exemple de réalisation, l'alliage à mémoire de forme 25 présente une température de transition comprise entre 100°C et 250°C. Cette température peut être ajustée, de façon connue en soi, en modifiant la proportion des éléments présents dans l'alliage à mémoire de forme choisi. Dans un exemple de réalisation, la préforme comprend des fils ou torons en carbure de silicium. Des exemples de fils en carbure de silicium utilisables peuvent être des fils « Nicalon », « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » commercialisés par la société japonaise NGS. Les fils en carbure de silicium peuvent présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Les fils « Hi-Nicalon-S » présentent une telle caractéristique. 3055625 3 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la préforme peut comprendre un premier ensemble de fils ou torons tissé avec un deuxième ensemble de fils en alliage à mémoire de forme, les fils ou torons du premier ensemble étant constitués d'un matériau différent des 5 fils ou torons du deuxième ensemble. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'armature peut comprendre des tôles ou bandelettes en alliage à mémoire de forme. L'utilisation de tôles ou bandelettes est plus facile à mettre en oeuvre, notamment car leur orientation est aisément déterminable dans la 10 préforme. De préférence, le taux volumique en alliage à mémoire de forme dans la préforme est compris entre 5% et 30%, le taux volumique en alliage à mémoire de forme dans la préforme étant égal au rapport entre le volume d'alliage à mémoire de forme et le volume occupé par les fils ou 15 torons dans la préforme. De manière générale, le taux volumique en alliage à mémoire de forme dans la préforme pourra être choisi d'une part afin que la préforme puisse être maintenue dans sa forme sans nécessiter d'outillage de maintien, et d'autre part pour éviter que la présence de l'armature n'altère les propriétés mécaniques de la pièce en matériau 20 composite. L'invention concerne aussi une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse telle que celle décrite plus haut mise en forme. 25 Enfin, l'invention vise un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant au moins les étapes suivantes : - la réalisation d'une préforme fibreuse telle que celle présentée ci-dessus, - l'exposition de la préforme fibreuse à une température 30 supérieure ou égale à la température de transition de l'alliage à mémoire de forme de l'armature afin de mettre en forme la préforme fibreuse et d'obtenir le renfort fibreux de la pièce, et - la formation d'une matrice dans la porosité du renfort fibreux par voie gazeuse. 35 L'exposition de la préforme à une température supérieure ou égale à la température de transition de l'alliage à mémoire de forme et 3055625 4 l'étape de formation de la matrice peuvent être réalisées dans le même four. La matrice peut être une matrice céramique ou une matrice carbone. Dans un exemple de réalisation, la pièce fabriquée peut être un secteur d'anneau de turbine. 5 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout 10 caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 montre une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d'un secteur d'anneau en matériau composite à matrice céramique, - les figures 2, et 3 montrent respectivement des vues de 15 préformes fibreuses selon deux modes de réalisation de l'invention, - la figure 4 est un ordinogramme illustrant les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice céramique selon l'invention, et - les figures 5A à 5C illustrent également des étapes d'un tel 20 procédé de fabrication. Description détaillée de l'invention L'invention va à présent être décrite dans son application à la fabrication d'un secteur d'anneau de turbine en matériau CMC. 25 Une préforme fibreuse 1 est représentée schématiquement en figure 1 après son tissage, c'est-à-dire avant toute densification. La préforme 1 représentée peut être obtenue à partir de fils ou torons tissés comprenant par exemple des fibres de carbone, ou des fibres céramiques. La préforme 1 peut être obtenue par tissage bidimensionnel, 30 tridimensionnel ou multicouches. Les fils ou torons céramiques peuvent être par exemple en carbure de silicium. Des exemples de fils en carbure de silicium utilisables peuvent être des fils « Nicalon », « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » commercialisés par la société japonaise NGS. Les fils en carbure de 35 silicium peuvent présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 3055625 5 1% en pourcentage atomique. Les fils « Hi-Nicalon-S » présentent une telle caractéristique. La préforme 1 comprend une partie inférieure 2 destinée à former la base du secteur d'anneau, et une partie supérieure 4 reliée à la 5 partie inférieure 2 par une portion centrale 6. La partie supérieure 4 n'est pas liée avec la partie inférieure 2 à deux extrémités latérales opposées et sur une distance prédéterminée de la portion centrale 6. En d'autres termes, la préforme 1 comprend deux zones de déliaison 8 au niveau de deux bords opposés dans une direction transversale de la préforme 1, de 10 façon à laisser deux portions latérales 10 libres. Les deux portions latérales 10 pourront ensuite être repliées vers la portion centrale 6 de façon à former, après densification, des brides d'accroche du secteur d'anneau sur une structure de support d'anneau dans une turbine. Le secteur d'anneau à fabriquer peut ainsi présenter une section en lu ou 15 en K. Conformément à l'invention, une armature pouvant prendre différentes formes qui seront décrites ci-après est intégrée à la préforme 1. L'armature est constituée d'un alliage à mémoire de forme qui peut se déformer à température ambiante, et qui peut retrouver une forme 20 prédéfinie lorsqu'il est exposé à une température de transition Tt dépendant notamment de sa composition. L'alliage à mémoire de forme de l'armature doit être suffisamment résistant pour supporter les températures élevées que l'on peut rencontrer dans un procédé du type CVI, et être inerte chimiquement vis-à-vis du matériau céramique ou du 25 carbone de la préforme 1 dans ces conditions. De tels alliages à mémoire de forme peuvent être choisis par exemple parmi les suivants : Ni ii, CuAlNi, CuAlBe. Comme on le verra ultérieurement, cette armature permet de mettre en forme la préforme 1 grâce à ses propriétés mémoire de forme. En outre, l'armature permet à la préforme 1 de conserver ensuite 30 sa forme sans nécessiter d'outillage de maintien tel qu'un conformateur. Pour cela, le taux volumique en alliage à mémoire de forme dans la préforme, correspondant au rapport entre le volume d'alliage à mémoire de forme et le volume occupé par les fils ou torons dans la préforme, peut être compris entre 5% et 30%. Il est donc avantageux de choisir un taux 35 volumique en alliage à mémoire de forme suffisant pour assurer un maintien de la préforme 1 lorsqu'elle est mise en forme, tout 3055625 6 en évitant d'altérer les propriétés mécaniques de la pièce finale à cause de la présence de l'armature. La figure 2 montre une vue agrandie d'une préforme 100 selon un premier mode de réalisation de l'invention. La préforme 100 est 5 obtenue par tissage d'un premier ensemble de fils 110, par exemple céramiques ou en carbone, avec un deuxième ensemble de fils 120 en alliage à mémoire de forme. Pour des raisons de simplification, les fils ne sont pas montrés tissés sur les figures, mais il est évident que la préforme est obtenue par tissage des fils 110, 120 comme décrit précédemment. La 10 répartition des fils 110 et 120 peut par exemple être aléatoire ou alternée de manière régulière dans la préforme. De manière générale, on peut veiller à ce que les fils 120 en alliage à mémoire de forme soient présents dans les portions de la préforme 100 qui devront être mises en forme et maintenues dans leur forme. Les fils 120 en alliage à mémoire de forme 15 seront orientés précisément lors de leur tissage en fonction de la forme prédéfinie qu'ils prendront lorsqu'ils seront exposés à la température de transition Tt de l'alliage à mémoire de forme. Ainsi, l'armature est ici constituée par les fils 120 du deuxième ensemble en alliage à mémoire de forme. 20 La figure 3 montre une vue agrandie d'une préforme 200 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La préforme 200 comprend un ensemble de fils 210 tissés, par exemple des fils en carbone ou en céramique, et une armature constituée par un ensemble de bandelettes ou tôles 220 en alliage à mémoire de forme insérées dans la 25 préforme 200 au cours de son tissage, ou après son tissage. Les bandelettes ou tôles 220 devront être positionnées et orientées précisément en fonction de la forme prédéfinie qu'elles prendront lorsqu'elles seront exposées à la température de transition Tt de l'alliage à mémoire de forme qui les constitue. Ainsi, l'armature est ici constituée par 30 les bandelettes ou tôles 220 en alliage à mémoire de forme. Un procédé de fabrication d'un secteur d'anneau en matériau CMC va à présent être décrit en lien avec l'ordinogramme de la figure 4 et les figures 5A à 5C. Dans une première étape El, on réalise tout d'abord la préforme 35 fibreuse 1 qui formera le renfort fibreux du secteur d'anneau. Selon le mode de réalisation de l'invention choisi, en tissant des fils 110, par 3055625 7 exemple en carbure de silicium, avec des fils 120 en alliage à mémoire de forme (préforme 100), ou encore en insérant des bandelettes ou tôles 220 en alliage à mémoire de forme dans la préforme 200 au cours de son tissage ou après son tissage. 5 Puis, dans une deuxième étape E2, la préforme fibreuse 1 est exposée à une température T au moins égale à la température de transition Tt de l'alliage à mémoire de forme. Cette étape peut être réalisée dans le four 20 qui sera utilisé pour densifier ensuite la préforme fibreuse 1. Durant cette étape E2, l'alliage à mémoire de forme de 10 l'armature retrouve sa forme prédéfinie, ce qui a pour effet de mettre en forme la préforme 1 (figure 5A). Dans l'exemple illustré, la mise en forme de la préforme correspond au repli des portions latérales 10 de la préforme fibreuse 1 vers la portion centrale 6. A l'issue de cette étape E2, on obtient ainsi la préforme fibreuse 1 mise en forme (figure 5B). 15 On peut ensuite procéder à la densification de la préforme fibreuse 1 mise en forme (étape E3). La densification de la préforme 1 peut consister en la formation d'une matrice céramique ou carbone au sein de sa porosité libre. On peut notamment densifier la préforme 1 par voie gazeuse, en faisant pénétrer un gaz précurseur de la matrice 20 céramique ou carbone dans la préforme 1 dans des conditions prédéterminées de température et de pression. Un tel procédé de densification peut être une infiltration chimique en phase gazeuse (CVI), connue en soi. Le procédé selon l'invention permet de s'affranchir de l'utilisation d'un conformateur durant l'étape de densification de la 25 préforme 1, la préforme 1 étant maintenue dans sa forme grâce à l'alliage à mémoire de forme de son armature. Il est également possible d'effectuer une étape de densification partielle de la préforme 1 pour la consolider avant de la densifier complètement. A l'issue de cette étape, on obtient la pièce 1' en matériau composite (figure 5C). 30 On notera que l'invention peut également s'appliquer à tout procédé permettant de former un revêtement d'interphase sur les fils d'une préforme fibreuse par voie gazeuse. Dans ce cas, au lieu de densifier la préforme 1, on forme un revêtement d'interphase sur les fils ou torons de la préforme 1 mise en forme. 35 REVENDICATIONS1. Préforme fibreuse (100 ; 200) tissée à partir d'une pluralité de fils ou torons (110, 120 ; 210), la préforme étant destinée à former le renfort fibreux d'une pièce (1') en matériau composite, la préforme comprenant en outre une armature intégrée (120 ; 220) constituée d'un alliage à mémoire de forme apte à se conformer suivant une forme prédéfinie lorsqu'il est exposé à une température de transition (Tt). 2. Préforme fibreuse selon la revendication 1, dans laquelle l'alliage à mémoire de forme est choisi parmi les suivants : NiTi, CuAINi, CuAIBe. 3. Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle l'alliage à mémoire de forme présente une température de transition (Tt) comprise entre 100°C et 250°C. 4. Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant des fils ou torons en carbure de silicium. 20 5. Préforme fibreuse (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant un premier ensemble de fils ou torons (110) tissé avec un deuxième ensemble de fils (120) en alliage à mémoire de forme, les fils ou torons du premier ensemble étant constitués d'un 25 matériau différent des fils ou torons du deuxième ensemble. 6. Préforme fibreuse (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l'armature comprend des tôles ou bandelettes (220) en alliage à mémoire de forme. 30 7. Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le taux volumique en alliage à mémoire de forme dans la préforme est compris entre 5% et 30%, le taux volumique en alliage à mémoire de forme dans la préforme étant égal au rapport entre le volume 35 d'alliage à mémoire de forme et le volume occupé par les fils ou torons dans la préforme. 305 5 6 2 5 9 8. Pièce en matériau composite (1') comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse (100 ; 200) selon l'une quelconque des revendications 1 5 à 7 mise en forme. 9. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite (1') comprenant au moins les étapes suivantes : - la réalisation d'une préforme fibreuse (100 ; 200) selon l'une 10 quelconque des revendications 1 à 7, - l'exposition de la préforme fibreuse à une température supérieure ou égale à la température de transition (Tt) de l'alliage à mémoire de forme de l'armature (120 ; 220) afin de mettre en forme la préforme fibreuse et d'obtenir le renfort fibreux de la pièce, et 15 - la formation d'une matrice dans la porosité du renfort fibreux par voie gazeuse. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la pièce fabriquée (1') est un secteur d'anneau de turbine.