Brevet FR3066141A1 — publié le 20181116

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE EN COMPOSITE AVEC REVETEMENT RESISTANT A L'EROSION INTEGRE LORS DE LA FABRICATION DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce en composite, telle qu'une aube avec un revêtement résistant à l'érosion, intégré lors de la fabrication. Certaines aubes de turbomachines, par exemple des aubes fixes de redresseurs de flux ou de soufflantes, peuvent être des pièces monolithiques en composites à matrices organiques, obtenues classiquement en injectant de la résine dans une préforme fibreuse, puis en la polymérisant. De telles pièces sont soumises à l'érosion en fonctionnement, à cause de l'entrée de diverses particules contenues dans l'air (eau, sable, gravillons, etc.). Les portions de l'aube soumises à l'érosion sont, en ordre croissant, l'extrados, l'intrados et le bord d'attaque. Des renforcements de l'aube ont été proposés pour obvier à l'usure. Typiquement, on peut prévoir d'appliquer une peinture sur l'extrados en fin de fabrication, de coller une pellicule de polyuréthane au moyen d'une colle sur la surface de l'intrados, et d'ajouter un clinquant métallique pour couvrir le bord d'attaque, en inox, titane, nickel-cobalt, etc. Ce cliquant peut aussi être collé sur la pièce. Les procédés ordinaires d'application de ces revêtements contre l'érosion sont sujets à des difficultés. Il est tout d'abord compliqué d'appliquer correctement le clinquant ou la pellicule sur des surfaces qui sont parfois fortement irrégulières, avec des courbures changeant constamment. Le cliquant est d'ailleurs difficile à fabriquer. L'étape de préparation des surfaces pour le collage consomme du temps. Il peut être difficile d'accomplir cette opération pour le cliquant, puisque les surfaces collées sont les faces internes d'un angle pouvant être fortement aigu, et sont donc difficiles d'accès. Un couplage galvanique entre le clinquant et les fibres de carbone composant la matrice peut survenir, ce qui nécessite alors d'intercaler un pli de verre qui peut amoindrir les capacités de résistance à l'impact du bord d'attaque et rend la fabrication plus complexe. Enfin, les 3066141 2 réparations du bord d'attaque impliquent de décoller le clinquant avant de le remplacer, ce qui peut aussi être une opération délicate. En raison de ces insuffisances, un procédé amélioré de fabrication d'une aube résistant à l'érosion est proposé avec cette invention. Le procédé est simplifié, en 5 recourant à un nouveau genre de revêtement résistant à l'érosion. Un aspect général de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce en composite pouvant être une aube, comprenant une fabrication d'une préforme fibreuse de l'aube puis une injection et une polymérisation de résine dans la préforme, en utilisant au moins un moule, caractérisé en ce qu'il comprend une application d'une 10 solution contenant une suspension de corpuscules de carbone sur une surface du moule. Dans une forme particulièrement appréciée de l'invention, les corpuscules mentionnés ci-dessus sont des nanotubes. D'autres genres de corpuscules de carbone peuvent être envisagés, comme des corpuscules de graphène, en paillettes par exemple. 15 Un grand avantage de l'invention est donc la simplification du procédé, puisque l'opérateur n'a plus à se soucier d'appliquer correctement le revêtement contre l'érosion sur la surface de la pièce, l'union intime étant réalisée d'elle-même pendant la fabrication. La fabrication dont il est question ici peut être soit la fabrication d'origine 20 de l'aube pour la créer, soit une réparation, la structure existante étant complétée par un ajout de matière, auquel le revêtement caractéristique de l'invention est incorporé. Les nanotubes de carbone envisageables peuvent être à simple paroi, double paroi, ou parois multiples. Ils possèdent une grande capacité de résistance à l'érosion, qu'ils confèrent à toute la superficie sur laquelle ils se trouvent. De plus, des 25 résultats satisfaisants peuvent être obtenus avec des teneurs réduites, de 0,1% à 10% de la masse de la couche superficielle de l'aube qui les contient, alors que d'autres additifs destinés à résister à l'érosion, comme les particules de carbure de silicium, les billes de verre ou les charges métalliques, devraient y être plus abondants. Et la taille nanométrique des nanotubes de carbone permet une efficacité contre l'érosion dès l'origine, donc sans entame du revêtement. 3066141 3 Selon certaines améliorations possibles, mais qui ne sont pas obligatoires : La solution chimique qui contient à l'origine le revêtement contre l'érosion peut-être à base d'une résine polymérisable, qui s'associe donc par adhésion à la 5 résine injectée pour former la matière principale de l'aube pour peu que leurs propriétés soient voisines et qu'elles finissent de polymériser ensemble après injection de la résine. Il n'est toutefois pas nécessaire que la résine dans laquelle les nanotubes ou les autres corpuscules sont contenus à l'origine ait la même composition chimique que la résine injectée pour former l'aube. Une composition envisageable de la résine est un mélange 10 d'au moins une époxyde et une amine. L'application de la couche contre l'érosion sur le moule d'injection peut se faire avant compactage de la préforme, mais dans ce cas il y a risque de transfert important de la solution sur les fibres de carbone. Ou bien la préforme est introduite dans le moule enduit de la solution après avoir été compactée dans un autre moule, ce qui 15 permet de limiter le fluage du revêtement lors de la fermeture du moule. La solution appliquée peut être à des états très divers de fluidité et ainsi consister par exemple en une pâte, une pellicule, une peinture ou un gel au moment où elle est appliquée à la surface du moule. Un autre aspect de l'invention est une pièce en composite, pouvant être 20 notamment fabriquée par ce procédé et pouvant notamment être une aube de turbomachine, et qui est caractérisée en ce qu'elle comprend, sur au moins une partie de sa surface, une couche superficielle contenant des corpuscules de carbone, pouvant être comme on l'a vu plus haut des nanotubes. Ces corpuscules peuvent occuper de 0,1 % à 10% en masse de la couche superficielle (et de préférence, 0,1% à 2% pour des corpuscules à 25 parois multiples ou 2% à 10% pour les corpuscules à paroi unique). La partie de la surface de l'aube qui les comprend peut être le bord d'attaque, une zone quelconque des faces principales (intrados et extrados), ou plus généralement un endroit quelconque de la surface de la pièce. Un cas particulier important est, comme on l'a vu, la réparation d'une aube existante en y incorporant l'invention : la portion de surface qui serait alors pourvue 3066141 4 des corpuscules de carbone proviendrait d'un fragment de remplacement rapporté à la structure primitive de l'aube. Ces caractéristiques, aspects et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, seront maintenant décrits plus complètement au moyen du commentaire des 5 figures suivantes, qui illustrent certaines réalisations de l'invention non exclusives d'autres : - la figure 1 représente schématiquement une aube ; - les figures 2A, B, C, D, E et F illustrent des étapes d'un procédé de fabrication d'aube selon une première réalisation de l'invention ; 10 - et les figures 3A, B, C, D, E et F, des étapes analogues selon une deuxième réalisation de l'invention. L'invention peut être appliquée par exemple à une aube 3 fixe de redresseur, représentée à la figure 1, montée entre un moyeu intérieur 1 et une virole extérieure 2 qui lui est concentrique ; l'aube 3 comporte classiquement un extrados 4, un 15 intrados 5, qui sont des faces principales opposées, et un bord d'attaque 6 à une de leurs jonctions ; ces différentes surfaces peuvent être soumises à une érosion importante. L'aube 3 peut être fortement galbée avec des courbures et des variations de courbure importantes dans les diverses directions, qui compliquent donc l'application manuelle de revêtements en pellicules ou en pièces rapportées utilisées couramment à des fins anti- 20 érosion. On se reporte maintenant aux figures 2. L'aube 3 sera, dans cette réalisation de l'invention, construite à partir d'une préforme brute 7 (figure 2A) de nature fibreuse, formée de fibres de carbone ou autres, réunies par tissage, tressage, ou autrement. La préforme 7 est classiquement mise dans un outillage de formage 8 (figure 25 2B) composé d'un moule, dans un alvéole duquel la préforme brute 7 est mise à la forme de l'aube 3, en y étant généralement comprimée et compactée. Il ressort une préforme 9 à l'état fini (figure 2C) qu'on utilise pour les étapes suivantes de la fabrication. Elles consistent en une injection et une polymérisation de résine dans un outillage de moulage 10 (figure 2D), dans un alvéole 11 duquel la préforme 9 doit être installée. Toutefois, il est 30 conforme à cette réalisation de l'invention d'enduire, au préalable à cette étape principale, 3066141 5 tout ou partie des surfaces du moule 10 donnant sur l'alvéole 11 d'une solution de corpuscules de carbone tels que des nanotubes, cette solution pouvant se présenter sous forme de pâte, de pellicule, de peinture, de gel ou autres, de manière à former une couche 12 de revêtement de ces surfaces. 5 La préforme 9 est ensuite installée dans l'alvéole 11 (figure 2E), de la résine est injectée par un orifice 13 approprié de l'outillage 10, imprègne les fibres de la préforme 9 et s'étend autour d'elle jusqu'à entrer en contact intime avec la couche 12. La polymérisation de la résine est ensuite effectuée de façon connue. Dans le cas fréquent où la solution composant la couche 12 comprend aussi une résine pour contenir les nanotubes 10 de carbone, elle peut aussi polymériser. L'outillage 10 est ensuite ouvert, et l'aube 3 en est sortie (figure 2F). Elle comprend, outre la préforme 9 et la matrice de résine polymérisée, la couche 12 ou une partie de la matière de celle-ci qui lui a été transférée, adhère désormais à la matrice de polymère et forme une couche superficielle de l'aube 3. Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, les corpuscules de carbone renforcent la surface de 15 l'aube 3 contre l'érosion aux endroits où ils sont présents. Dans le cas présent, le revêtement couvre le bord d'attaque 6, l'intrados 5 et l'extrados 4, puisque les surfaces en regard de l'alvéole 11 ont été entièrement couvertes de la couche 12, mais cela n'est pas indispensable, et il serait possible de couvrir seulement certaines de ces surfaces, ou des portions choisies d'entre elles. Pour que la liaison entre la couche 12 et la résine de l'aube 20 3 se fasse, les propriétés du corps principal de la solution contenant les nanotubes sont importantes : on conseille en général d'utiliser une résine qui commence à réagir juste avant l'injection de la résine constituant l'aube 3 pour que les polymérisations se fassent à des rythmes voisins. Il convient aussi d'éviter le fluage de la solution dans la préforme 9 ou son entraînement par la résine injectée, ce qui produirait soit une descente des 25 nanotubes de carbone au coeur de l'aube 3, où ils deviendraient inutiles, soit des hétérogénéités de couverture de la surface et de protection. [rocol]Une solution de viscosité adaptée, relativement élevée, est conseillée. Le cas échéant, on peut y parvenir en conduisant une polymérisation préliminaire partielle de la couche 12 avant l'installation de la préforme 9 dans l'outillage 10. Enfin, la cinétique de polymérisation de la solution doit 3066141 6 permettre d'atteindre le point de gel dans l'outillage avant l'injection de la résine de l'aube 3, de préférence sans atteindre une polymérisation complète. Si les nanotubes sont les plus importants pour assurer la protection contre l'érosion, la résine de la solution joue aussi un rôle, et il est donc conseillé de la 5 choisir avec une résistance suffisante aux fluides, aux ultraviolets et à l'érosion. On peut recommander des mélanges d'époxyde(s) et d'amine(s), très répandus pour la fabrication de pièces composites pour l'aéronautique. Les époxydes peuvent être bifonctionnels ou multifonctionnels, comme les DGEBA, DGEBF, TGMDA, TGPAP, TGMXDA, etc. Les amines peuvent être aliphatiques ou aromatiques, comme le 10 CAF, la DDS, la dicyandiamide, etc. Les nanotubes de carbone peuvent être à simple paroi, double paroi ou parois multiples. Le taux de nanotubes de carbone introduit dépendra des performances visées contre l'érosion, de l'augmentation de viscosité du mélange qu'ils induisent et de la nature des nanotubes eux-mêmes. Ce taux reste néanmoins très bas, contrairement à d'autres charges anti-érosion envisageables. A titre d'exemple, le taux de 15 charge peut être compris entre 0,1 et 10% en masse de la couche superficielle de l'aube 3 et plus précisément 0,1% à 2% pour des corpuscules à parois multiples et 2% à 10% pour des corpuscules à paroi unique. La taille nanométrique des nanotubes de carbone leur permet d'affleurer en nombre à la surface libre de la pièce et d'exercer l'efficacité anti-érosion dès l'origine. 20 L'aube de l'invention peut être texturée en surface avec un motif régulier, par une texturation de l'outillage 10 de moulage pour augmenter les propriétés aérodynamiques de la pièce, transférant ainsi cette texture au revêtement contenant les corpuscules de carbone. L'invention pourrait être mise en oeuvre avec d'autres formulations 25 contenant des corpuscules de carbone, comme des polymères thermoplastiques, des résines polyuréthanes, ou des silicones, des BMI (bismaleimides), des polyimides, des polyesters,... Une variante de réalisation du procédé des figures 2A à 2F va maintenant être décrite à l'aide des figures 3A à 3F. Elle se distingue de la précédente en ce que la 30 couche contenant les nanotubes ou autres corpuscules de carbone, maintenant référencée 3066141 7 par 120, n'est pas appliquée sur l'outillage 10 de moulage, mais sur l'outillage de formage 8 (figure 3B), et qu'elle est transférée au moins en partie sur la surface de la préforme 9, au cours de la mise en forme et du compactage. La préforme 9 est introduite ensuite dans l'alvéole 11 de l'outillage 10 de moulage, sans qu'il soit nécessaire d'enduire de nouveau 5 ses parois de la solution et de la couche 12, et le reste du procédé est accompli comme précédemment, avec des résultats analogues. Les variantes préférées du procédé comprennent toutefois l'application de la couche sur la structure fibreuse après que celle-ci a été compactée, puisqu'elle évite qu'une partie de la couche ne pénètre dans la structure. 10 L'invention peut être mise en oeuvre dans de nombreux procédés connus de fabrication de pièces en composites, incluant notamment les procédés RTM (Resin Transfer Molding ou Moulage à Transfert de Résine), prepreg (à fibres pré-imprégnées), avec des bases thermoplastiques ou thermodurcissables. Le Tableau I ci-après donne quelques exemples complets. 15 8 Tableau I Procédé Matière organique du revêtement contenant les corpuscules de carbone Matière organique de la pièce fibres Moyen de chauffe Préchauffe du moule avec Cycle de chauffe total revêtement seul RTM Résine époxyde type RTM6 (Hexcel) Résine époxyde type PR520 (Solvay) Préforme sèche ou tissu sec Presse oui 1h 160°C puis 2h à 180°C avec montée de 2°C/min RTM Gel type Rengel (Huntsman) Résine époxyde type PR520 (Solvay) Préforme sèche ou tissu sec Presse oui 1h 160°C puis 2h à 180°C avec montée de 2°C/min RTM Résine BMI type cycom 5250-4 (Solvay) Résine BMI type cycom 5250-4 (Solvay) Préforme sèche ou tissu sec Presse oui 1h à 150°C + 4h à 190°C puis 6h à 210°C Pré- Résine époxyde type RTM 6 (Hexcel) Pré -imprégné époxyde type HexPly914 ; M21 ou HexPly 8552 (Hexcel) Imprégné de la résine pièce Autoclave ou presse oui 2h à 180°C avec montée de 1°C/min imprégné 9 Pré- Gel type Rengel (Huntsman) Pré -imprégné époxyde type HexPly914 ; M21 ou HexPly 8552 (Hexcel) Imprégné de la résine pièce Autoclave ou presse oui 2h à 180°C avec montée de 1°C/min imprégné Pré- Film polyuréthane Pré -imprégné époxyde type HexPly914 ; M21 ou HexPly 8552 (Hexcel) Imprégné de la résine pièce Autoclave ou presse non 2h à 180°C avec montée de 1°C/min imprégné Pré- Film thermoplastique Pré -imprégné époxyde type HexPly914 ; M21 ou HexPly 8552 (Hexcel) Imprégné de la résine pièce Autoclave ou presse non 2h à 180°C avec montée de 1°C/min imprégné Pré- Résine B I type Pré-imprégné BMI type F650 Imprégné de la résine pièce Autoclave ou presse non 4h à 190°C avec montée de 3°C/min imprégné 5250-4 Pré- Film thermoplastique base PEI Pré-imprégné PEI type 3106-P44 (Porcher) Imprégné de la matrice Presse non 10 bars à 370°C imprégné Pré- Film thermoplastique base PEEK Pré-imprégné PEEK type 3106-P51 (Porcher) Imprégné de la matrice Presse non 10 bars 390°C imprégné Injecté Film thermoplastique base PEI PEI 25 % carbon fibres type EC005 (Sabic) Fibres courtes Presse Oui Moule à 93°C Injection de la matière entre 338°C et 399°C 10 Injecté Film thermoplastique base PEEK PEEK 30 % carbon fibres type 150CA30 (Victrex) Fibres courtes Presse Oui Moule entre 170°C et 200°C Injection de la matière entre 350°C et 380°C REVENDICATIONS1) Procédé de fabrication d'une aube en composite, comprenant une fabrication d'une préforme (7) fibreuse de l'aube puis une injection et une polymérisation de résine dans la préforme (9), en utilisant au moins un moule, caractérisé en ce qu'il comprend une application d'une solution contenant une suspension de corpuscules de carbone sur une surface du moule. 2) Procédé de fabrication d'une aube en composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les corpuscules sont des nanotubes. 3) Procédé de fabrication d'une aube en composite selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la solution est une résine polymérisable. 4) Procédé de fabrication d'une aube en composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moule (10) est un moule utilisé pour l'injection et la polymérisation de la résine. 5) Procédé de fabrication d'une aube en composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moule (8) est un moule utilisé pour un formage de la préforme, qui fait partie de la fabrication de la préforme. 6) Procédé de fabrication d'une aube en composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la solution est une pâte, une pellicule, une peinture ou un gel quand elle est appliquée sur la surface du moule. 7) Pièce (3) en composite, caractérisée en ce qu'elle comprend, sur au moins une partie de sa surface, une couche superficielle contenant des corpuscules de carbone. 8) Pièce en composite selon la revendication 7, caractérisée en ce que les corpuscules de carbone sont présents à un taux de charge compris entre 0,1% et 10% en masse de la couche superficielle. 3066141 12 9) Pièce en composite selon la revendication 8, caractérisée en ce que le taux de charge est compris entre 0,1% et 2% pour des corpuscules à parois multiples et entre 2% et 10% pour des corpuscules à paroi unique. 10) Aube en composite selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, 5 caractérisée en ce que la partie de surface correspond à une surface extérieure d'une portion réparée de l'aube.