Brevet FR3075787A1 — publié le 20190628

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de pièces en matériau composite à matrice céramique. Les matériaux composites à matrice céramique (CMC), connus pour leurs bonnes propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structures et pour conserver ces propriétés à températures élevées, constituent une alternative viable aux traditionnelles pièces métalliques. Leur masse réduite par rapport à leur équivalent métallique en font des pièces de choix pour répondre aux problématiques d'augmentation du rendement et de réduction des émissions polluantes des moteurs dans le domaine aéronautique. Les pièces en matériau CMC peuvent comprendre un renfort fibreux généralement continu sous la forme d'un textile tissé, qui est densifié par une matrice céramique. Le renfort fibreux comprend ainsi des fibres longues continues, dont l'orientation peut être adaptée aux directions principales de sollicitation de la pièce lors de son utilisation. La préforme destinée à former le renfort fibreux est tissée à partir des fibres continues aux dimensions de la pièce (par exemple par tissage bidimensionnel ou tridimensionnel), à l'aide d'un métier à tisser adapté. L'étape de tissage est un processus long et coûteux, et qui n'est pas optimal pour réaliser des pièces de petite taille. Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'une pièce en 25 matériau composite à matrice céramique qui soit plus aisé à mettre en oeuvre et moins couteux pour fabriquer des pièces de petite taille. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels 30 inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant un renfort particulaire densifié par une matrice céramique, le procédé comprenant les étapes suivantes : - formation d'une ébauche de la pièce à fabriquer par mise en forme d'un mélange comprenant un liant, des premières particules en céramique ou 35 en carbone destinées à former le renfort particulaire de la pièce et des 2 deuxièmes particules céramiques ou carbone distinctes des premières particules, - élimination ou pyrolyse du liant présent dans l'ébauche afin d'obtenir une préforme poreuse de la pièce à fabriquer, et 5 - infiltration de la porosité de la préforme par une composition fondue comprenant un métal afin d'obtenir la pièce. Le procédé selon l'invention permet ainsi de réaliser une pièce en matériau CMC par un procédé d'infiltration à l'état fondu (« Melt Infiltration ») sans renfort fibreux tissé. Grâce à une étape de mise en forme 10 du mélange chargé des premières particules et des deuxièmes particules puis de l'obtention de la préforme poreuse par élimination ou pyrolyse du liant, le procédé selon l'invention permet de s'affranchir de l'étape de tissage du renfort fibreux. Ceci est avantageux notamment pour fabriquer des pièces de petite taille qui ne sont pas fortement sollicitées thermo-mécaniquement, ce 15 qui représente des gains en termes de temps de fabrication et de coûts. Il est également possible d'obtenir des pièces à partir du procédé selon l'invention qui présentent des formes complexes, et les dimensions voulues sans nécessiter d'usinage supplémentaire. Le mélange peut être homogène et intime entre le liant et les 20 particules. Dans un exemple de réalisation, la composition fondue peut comprendre un composé intermétallique. Dans un exemple de réalisation, la composition fondue peut comprendre du silicium. La composition fondue peut être constituée de silicium pur fondu ou en variante être sous la forme d'un alliage fondu de silicium et d'un ou plusieurs autres constituants. La composition fondue peut comprendre majoritairement en masse du silicium, c'est-à-dire présenter une teneur massique en silicium supérieure ou égale à 50%. La composition fondue peut par exemple présenter une teneur massique en silicium supérieure ou égale à 75%. Le(s) constituant(s) présent(s) au sein de l'alliage de silicium peuvent être choisi(s) parmi B, Al, Mo, Ti, et leurs mélanges. En particulier, la composition fondue peut comprendre du disiliciure de molybdène (MoSi2). Une réaction chimique peut se produire entre la composition fondue et du carbone présent dans la préforme poreuse (par exemple un résidu de pyrolyse) lors de l'infiltration, aboutissant à la formation de carbure de 3 silicium (procédé d'infiltration réactive à l'état fondu ou « Reactive Melt Infiltration »). Dans un exemple de réalisation, le mélange peut être chauffé pour fluidifier le liant et faciliter l'étape de mise en forme en vue de former 5 l'ébauche. Le mélange peut également être soumis à du vide pour retirer les éventuelles bulles d'air présentes dans le mélange préalablement à sa mise en forme. L'ébauche peut présenter des dimensions supérieures ou égales à celles de la pièce finale afin de laisser subsister un réseau poral à l'intérieur de l'ébauche après élimination ou pyrolyse du liant. L'étape d'élimination ou 10 de pyrolyse du liant (aussi appelée « déliantage ») peut être préférentiellement réalisée sous gaz inerte, par exemple sous argon, pour éviter une oxydation de l'ébauche qui réduirait la tenue mécanique de l'ébauche entre les différentes étapes de traitement aboutissant à la pièce finale. Dans la suite, lorsqu'il est fait mention de l'étape « d'élimination du 15 liant », on entend toujours l'étape « d'élimination ou pyrolyse du liant », la pyrolyse consistant en une élimination du liant laissant des résidus. Dans un exemple de réalisation, les premières particules peuvent être des fibres courtes. En d'autres termes, les premières particules peuvent présenter une forme généralement cylindrique. 20 Dans un exemple de réalisation, les fibres courtes peuvent présenter préférentiellement une longueur comprise entre 50 pm et 5000 pm, ou plus préférentiellement les fibres courtes peuvent présenter une longueur comprise entre 100 pm et 300 pm. Dans un exemple de réalisation, les fibres courtes peuvent être 25 obtenues à partir de fibres longues par découpe mécanique ou broyage. Dans un exemple de réalisation, les premières particules peuvent être des grains. En d'autres termes, les premières particules peuvent présenter une forme sphérique ou ellipsoïdale. Dans ce cas, la taille moyenne (D50) des premières particules peut être comprise entre 10 pm et 300 pm, plus 30 préférentiellement entre 40 pm et 100 pm. Dans un exemple de réalisation, le volume élémentaire médian des premières particules peut être supérieur ou égal au volume élémentaire médian des deuxièmes particules. Le volume élémentaire d'une particule est le volume occupé par la particule. 35 Dans un exemple de réalisation, la mise en forme du mélange peut comprendre l'injection du mélange dans un moule. 4 Dans un exemple de réalisation, le liant peut comprendre au moins un polymère thermoplastique. Par exemple, le liant peut comprendre au moins un composé choisi parmi les suivants : alcool polyvinylique (PVA), polyéthylène glycol (PEG), polypropylène (PP), polyoxynnéthylène (POM), 5 polytéréphtalate d'éthylène (PET). Dans un exemple de réalisation, le liant peut comprendre au moins un polymère thermodurcissable. Par exemple, le liant peut comprendre au moins un composé choisi parmi les suivants : résines époxydes, résines phénoliques, résines pré-céramiques. 10 Dans un exemple de réalisation, le mélange peut comprendre deux liants éliminables thermiquement présentant chacun une température d'élimination différente. Ainsi, l'étape d'élimination des liants peut comprendre deux sous-étapes d'élimination thermique de chacun des liants à deux températures différentes. 15 Dans un exemple de réalisation, le mélange peut comprendre un premier liant éliminable par dissolution et un deuxième liant éliminable thermiquement. Ainsi, l'étape d'élimination des liants peut comprendre deux sous-étapes d'élimination : l'élimination par dissolution du premier liant, puis l'élimination thermique du deuxième liant. Cette disposition est avantageuse 20 car elle permet une élimination plus efficace du deuxième liant en ouvrant une porosité dans l'ébauche après l'élimination par dissolution du premier liant. Dans un exemple de réalisation, un milieu liquide comprenant le mélange peut être injecté dans le moule, le moule pouvant être équipé d'un 25 dispositif de filtration du milieu liquide, et l'étape de formation de l'ébauche peut comprendre en outre la filtration du milieu liquide par le dispositif de filtration. Le milieu liquide peut être un milieu aqueux, ou comprendre par exemple un alcool. Dans un exemple de réalisation, la mise en forme du mélange peut 30 comprendre l'application d'une pression sur le mélange. Dans ce cas, le liant comprend un plastifiant afin d'améliorer la compaction du mélange. Un tel plastifiant peut être de l'acide stéarique. Dans ce cas, la mise en forme du mélange peut comprendre la compression isostatique à froid du mélange dans un moule. 35 Dans un exemple de réalisation, le procédé peut comprendre, avant l'étape d'infiltration, la compression isostatique de la préforme poreuse 5 obtenue après élimination ou pyrolyse du liant. Cette étape de compression isostatique peut être réalisée à chaud ou à froid. Cette étape de compression isostatique permet de refermer en partie la porosité générée par l'étape d'élimination ou pyrolyse du liant afin de contrôler cette porosité et de facilité 5 l'étape ultérieure d'infiltration. Il est en outre possible de réaliser, avant l'étape d'infiltration, un traitement thermique de frittage libre (c'est-à-dire sans contraintes) de l'ébauche déliantée, toujours afin de contrôler la porosité de l'ébauche déliantée. Ce traitement thermique de frittage libre peut être réalisé après 10 une étape de compression isostatique à froid et avant une étape de compression isostatique à chaud. Dans un exemple de réalisation, les premières particules peuvent être en carbure de silicium. Lorsqu'il s'agit de fibres courtes, elles peuvent alors comprendre une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en 15 pourcentage atomique. Par exemple de telles fibres courtes peuvent être des fibres du type Hi-Nicalon type S commercialisées par la société japonaise NGS. En variante, les fibres courtes peuvent être en un matériau choisi parmi les suivants : carbone, un oxyde, par exemple de l'alumine (A1203). Dans un exemple de réalisation, les premières particules peuvent être 20 revêtues d'une interphase. Une telle interphase peut par exemple être en carbone pyrolytique (PyC), en nitrure de bore (BN) ou en carbure de silicium (SiC). L'interphase peut comprendre plusieurs couches comprenant chacune un matériau différent. L'interphase a une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles 25 parvenant à l'interphase après s'être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture du renfort par de telles fissures. Cette interphase permet également de protéger les premières particules du matériau de la matrice lors de sa formation. Cette interphase peut être déposée sur les premières particules avant 30 leur introduction dans le mélange. Dans le cas des fibres courtes, le dépôt de l'interphase peut être réalisé sur des fibres longues avant leur découpe ou broyage. Le dépôt de l'interphase peut être réalisé directement sur les fibres courtes par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par un procédé de dépôt électrolytique ou encore par sel fondus. On peut 35 également déposer, à la place de l'interphase ou sur l'interphase, un revêtement céramique compatible avec le matériau de la matrice à former. 6 Dans un exemple de réalisation, les deuxièmes particules céramiques peuvent comprendre un matériau choisi parmi les suivants : SiC, MoS12, T1S12, C0S12, ZrSi2, HfS12, ZrB2, HfB2, T1B2, et leur mélange. Dans un exemple de réalisation, la teneur volumique en premières 5 particules dans la pièce peut être compris entre 10 % et 70 °h, préférentiellement entre 25 % et 50%. Dans un exemple de réalisation, la teneur volumique en deuxièmes particules dans la pièce peut être compris entre 30 % et 90 %, préférentiellement entre 50 % et 75%. 10 Dans un exemple de réalisation, les deuxièmes particules peuvent présenter une taille moyenne (D50) comprise entre 0,5 pm et 200 pm, plus préférentiellement comprise entre 0,7 pm et 75 pm. Brève description des dessins 15 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence au dessin annexé qui en illustre un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. La figure 1 est un ordinogramme montrant les différentes étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. 20 Description détaillée de l'invention Les étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention vont à présent être décrites en lien avec l'ordinogramme de la figure 1. On cherche ici à obtenir une pièce en matériau composite à matrice céramique. 25 Une telle pièce peut être une pièce pour l'aéronautique, par exemple une pièce destinée à être utilisée dans une turbomachine aéronautique. Une telle pièce peut être par exemple une aube de petite taille. Dans une étape El. on peut obtenir les premières particules en céramique ou carbone qui seront destinées à former le renfort particulaire 30 (par exemple fibreux) de la pièce à fabriquer. Lorsque les premières particules sont des fibres courtes, elles peuvent être obtenues par broyage ou découpe mécanique de fibres longues, de façon connue en soi. Les fibres courtes peuvent présenter une longueur médiane comprise entre 50 pm et 5000 pm, ou encore comprise entre 100 pm et 300 pm. Il n'est pas 35 obligatoire que la distribution de taille des premières particules soit monodisperse, elle peut en effet être polydisperse. 7 On peut éventuellement revêtir les premières particules d'un revêtement d'interphase (étape E2). Dans le cas de fibres courtes, on peut les revêtir soit directement, soit en revêtant des fibres longues préalablement à leur découpe ou broyage. L'épaisseur de l'interphase peut par exemple être 5 comprise entre 10 nm et 1000 nm, et par exemple entre 10 nm et 500 nm. L'interphase peut être monocouche ou multicouches. L'interphase peut comporter au moins une couche de carbone pyrolytique (PyC), de nitrure de bore (BN), de nitrure de bore dopé au silicium (BN(Si), avec du silicium en une proportion massique comprise entre 5% et 40%, le complément étant 10 du nitrure de bore) ou de carbone dopé au bore (BC, avec du bore en une proportion atomique comprise entre 5% et 20%, le complément étant du carbone). Le dépôt de l'interphase peut être réalisé directement sur les fibres courtes par un procédé de CVD ou par un procédé de dépôt électrolytique ou encore par sel fondus. L'interphase a ici une fonction de défragilisation du 15 matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l'interphase après s'être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture du renfort par de telles fissures. L'interphase peut aussi protéger le renfort au cours de l'étape ultérieure de formation de la matrice. On peut également déposer, à la place de l'interphase ou sur 20 l'interphase, un revêtement céramique compatible avec le matériau de la matrice à former, par exemple par CVI. Dans une étape E3, on peut ensuite préparer un mélange comprenant un liant, les premières particules en céramique ou carbone et des deuxièmes particules céramiques destinées à former la matrice de la pièce. Le liant peut 25 par exemple comprendre un polymère, tel qu'une résine thermoplastique ou thermodurcissable, ou un plastifiant. Le mélange peut comprendre plusieurs liants. Il peut être avantageux de chauffer le mélange afin de fluidifier le liant pour faciliter le mélange et permettre une meilleure homogénéisation. Cette température de mélange dépend alors des liants organiques employés afin 30 d'une part, de ne pas les dégrader thermiquement et d'autre part, de ne pas les polymériser prématurément. On peut également préparer le mélange sous vide de façon à réduire la présence de bulles d'air dans le mélange. Le mélange ainsi préparé peut être par exemple mis sous la forme de granules destinées à être utilisés ultérieurement, ou être directement injecté au cours 35 de l'étape suivante. 8 Dans une étape E4, on forme une ébauche de la pièce à fabriquer par mise en forme du mélange préparé à l'étape E3. Plusieurs manières de réaliser cette étape vont être décrites ci-après. Selon une première variante, l'étape de mise en forme peut être 5 réalisée par injection du mélange dans la cavité d'un moule. La cavité du moule utilisé pour l'injection peut présenter des dimensions supérieures à celles de la pièce finale car un réseau poral est nécessaire pour réaliser efficacement l'étape d'infiltration (étape E6). Le moule peut comprendre des buses d'injection dont les dimensions sont adaptées, de façon connue, à la 10 taille des premières et deuxièmes particules, ainsi qu'au liant et aux pression et température d'injection choisies. Le moule peut être régulé en température afin de contrôler l'éventuelle solidification du liant après l'injection, le cas échéant. Cette régulation peut également permettre de ne pas orienter préférentiellement les premières particules lorsqu'elles 15 correspondent à des fibres courtes aux abords de la paroi du moule. L'injection peut être réalisée avec un mélange préalablement porté à une température permettant de fluidifier le liant. L'injection peut être réalisée à une pression comprise entre 50 bars et 3000 bars. Une fois le mélange injecté dans le moule et l'ébauche moulée, l'ébauche peut être démoulée. 20 L'ébauche ainsi obtenue est dans un état « vert » ou plastique. L'ébauche peut présenter généralement des dimensions supérieures à celles de la pièce finale, comme expliqué plus haut. Selon une deuxième variante, le moule peut être équipé d'un dispositif de filtration et un milieu liquide comprenant le mélange des premières et 25 secondes particules dispersées dans le milieu liquide est injecté dans le moule, et l'étape E4 de formation de l'ébauche comprend en outre la filtration du milieu liquide par le dispositif de filtration. Le milieu liquide peut être un milieu aqueux ou comprendre de l'alcool. Le milieu liquide peut comprendre préférentiellement de l'alcool polyvinylique (PVA). Il peut 30 constituer une barbotine. Lors de l'injection/filtration, les premières et les deuxièmes particules sont retenues à l'intérieur du moule à l'aide du dispositif de filtration et forment progressivement l'ébauche. Selon une troisième variante, le liant peut comprendre un plastifiant et l'étape de mise en forme du liant comprend l'application d'une pression sur le 35 mélange, par exemple la compression isostatique à froid du mélange. Le plastifiant permettant de favoriser la compaction peut être de l'acide 9 stéarique. Le mélange peut ainsi être disposé directement dans un moule et une pression peut être appliquée sur le mélange par le moule pour mettre en forme le mélange. Dans une étape E5, on élimine ou on pyrolyse le liant présent dans 5 l'ébauche afin d'obtenir une ébauche déliantée. Les conditions de l'étape E5 d'élimination ou de pyrolyse du liant dépendent généralement de la nature du liant à éliminer, de façon connue en soi. En particulier, certains liants sont éliminables thermiquement, c'est-à-dire que la température permet de les décomposer et/ou les évaporer, d'autres sont éliminables chimiquement, par 10 exemple par dissolution dans un solvant approprié. L'étape E5 peut comprendre une pyrolyse, il peut alors rester des résidus de pyrolyse au sein de l'ébauche déliantée. L'étape E5 peut être réalisée sous atmosphère neutre, par exemple sous argon, afin de conserver jusqu'à la fin de l'étape d'élimination un squelette carbone dans l'ébauche garantissant une meilleure 15 tenue de l'ébauche, mais aussi de réduire les risques d'oxydation de l'ébauche. Il peut être avantageux d'utiliser plusieurs liants, par exemple deux liants éliminables en deux étapes d'élimination distinctes. Selon un exemple, on élimine d'abord un premier liant par dissolution, puis on élimine un 20 deuxième liant thermiquement. Selon un autre exemple, un premier liant peut être éliminé thermiquement à une première température d'élimination, et un deuxième liant peut être éliminé thermiquement à une deuxième température d'élimination supérieure à la première température d'élimination. L'élimination des deux liants de façon successive réduit les 25 risques de fissuration de l'ébauche au cours de l'étape E5 en ouvrant, après l'élimination du premier liant, une porosité dans l'ébauche par laquelle le deuxième liant pourra être extrait de l'ébauche. Les dimensions de l'ébauche ne varient généralement pas suite à l'étape E5 de déliantage. L'ébauche déliantée ou préforme poreuse comprend ainsi les premières particules et les 30 deuxièmes particules, et présente une porosité non nulle qui était occupée préalablement par du liant. Puis, dans une étape E6, on infiltre la porosité de la préforme par une composition fondue comprenant un métal, par exemple un composé intermétallique ou du silicium, afin d'obtenir la pièce. Cette étape 35 d'infiltration correspond à une étape d'infiltration à l'état fondu (procédé MI ou RMI). La composition fondue ou composition d'infiltration peut être 10 constituée de silicium pur fondu ou en variante être sous la forme d'un alliage fondu de silicium et d'un ou plusieurs autres constituants. Après l'étape E6, on obtient la pièce en matériau CMC. Dans une variante du procédé, on peut réaliser une étape de 5 compression isostatique à froid de la préforme poreuse après l'étape E5 d'élimination ou de pyrolyse du liant présent dans l'ébauche et avant l'étape E6 d'infiltration afin de refermer une partie de la porosité dans le cas où celle-ci serait trop importante avant l'étape REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant un renfort particulaire densifié par une matrice céramique, le 5 procédé comprenant les étapes suivantes : - formation d'une ébauche (E4) de la pièce à fabriquer par mise en forme d'un mélange comprenant un liant, des premières particules en céramique ou en carbone destinées à former le renfort particulaire de la pièce et des deuxièmes particules céramiques ou carbone distinctes des 10 premières particules, - élimination ou pyrolyse du liant (E5) présent dans l'ébauche afin d'obtenir une préforme poreuse de la pièce à fabriquer, et - infiltration de la porosité de la préforme (E6) par une composition fondue comprenant un métal afin d'obtenir la pièce. 15 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la composition fondue comprend du silicium. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premières 20 particules sont des fibres courtes. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les fibres courtes présentent une longueur comprise entre 50 pm et 5000 pm. 25 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les fibres courtes présentent une longueur comprise entre 100 pm et 300 pm. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premières particules sont des grains. 30 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le volume élémentaire médian des premières particules est supérieur ou égal au volume élémentaire médian des deuxièmes particules. 12 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la mise en forme du mélange comprend l'injection du mélange dans un moule. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel un milieu liquide comprenant le mélange est injecté dans le moule, le moule étant équipé d'un dispositif de filtration du milieu liquide, et l'étape de formation de l'ébauche comprend en outre la filtration du milieu liquide par le dispositif de filtration. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la mise en forme du mélange comprend l'application d'une pression sur le mélange. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la mise en forme du 15 mélange comprend la compression isostatique à froid du mélange dans un moule. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant, avant l'étape d'infiltration, une étape de compression 20 isostatique de la préforme poreuse obtenue après élimination ou pyrolyse du liant. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel les premières particules sont en carbure de silicium. 25 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel les premières particules sont revêtues d'une interphase. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans 30 lequel les deuxièmes particules céramiques comprennent un matériau choisi parmi les suivants : SIC, MoSi2, TiSi2, CoSi2, ZrS12, HfSi2, ZrB2, HfB2, T1B2, et leur mélange. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans 35 lequel la teneur volumique en premières particules dans la pièce est compris entre 10 % et 70 %. 13 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel la teneur volumique en deuxièmes particules dans la pièce est compris entre 30 Vo et 90 °A).