Brevet FR3084737A1 — publié le 20200207

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des installations ou fours à chauffage inductif utilisés pour réaliser des traitements thermiques et dans lesquels le ou les gaz utilisés dans les traitements sont préchauffés avant leur introduction dans la chambre de traitement du four. De tels fours sont notamment utilisés pour réaliser des traitements thermochimiques comme la cémentation de pièces ou la densification de substrats poreux par infiltration chimique en phase gazeuse. Un domaine d'application de l'invention est celui de la réalisation de pièces en matériau composite thermostructural, c'est-à-dire en matériau composite ayant à la fois des propriétés mécaniques qui le rendent apte à constituer des pièces structurelles et la capacité de conserver ces propriétés jusqu'à des températures élevées. Des exemples typiques de matériaux composites therrnostructuraux sont les composites carbone/carbone (C/C) ayant une texture de renfort en fibres de carbone densifiée par une matrice de carbone pyrolytique et les composites à matrice céramique (CMC) ayant une texture de renfort en fibres réfractaires (carbone ou céramique) densifiée par une matrice céramique. Un processus bien connu de densification de substrats poreux pour réaliser des pièces en composite C/C ou en CMC est l'infiltration chimique en phase gazeuse (CVI). Les substrats à densifier sont placés dans une zone de chargement d'un four où ils sont chauffés. Un gaz réactif contenant un ou plusieurs précurseurs gazeux du matériau constitutif de la matrice est introduit dans le four. La température et la pression dans le four sont réglées pour permettre au gaz réactif de diffuser au sein de la porosité des substrats et y former un dépôt du matériau constitutif de la matrice par décomposition d'un ou plusieurs constituants du gaz réactif ou réaction entre plusieurs constituants, ces constituants formant le précurseur de la matrice. Le processus est réalisé sous pression réduite, afin de favoriser la diffusion des gaz réactifs dans les substrats. La température de transformation du ou des précurseurs pour former le matériau de la matrice, tel que carbone pyrolytique ou 2 céramique, est dans la plupart des cas supérieure à 900° C, typiquement voisine de 1000° C. Afin de réaliser une densification la plus homogène possible des substrats dans toute la zone de chargement du four, que ce soit en terme 5 d'accroissement de densité ou en terme de microstructure du matériau de matrice formé, il est nécessaire que la température dans toute la zone de chargement soit sensiblement uniforme. Aussi, les fours généralement utilisés sont des fours fosses comportant une zone ou chambre de préchauffage de gaz réactif, une 10 zone de chargement ou zone utile, et une zone ou chambre d'appauvrissement, la zone utile étant disposée entre la zone de préchauffage et la zone d'appauvrissement. La chambre de préchauffage est destinée à réchauffer le gaz qui est injecté à température ambiante depuis des armoires de dosage 15 précurseurs avant qu'il n'atteigne la zone utile et à le distribuer de manière homogène sur la section de la zone utile qui correspond généralement à la section du réacteur du four, le réacteur étant formé par l'enceinte recevant les trois zones mentionnées ci-dessus. Les gaz arrivent ainsi à la température ad hoc dans la zone utile pour assurer le 20 phénomène de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou d'infiltration chimique en phase vapeur (CVI). Plus particulièrement, la zone de préchauffage est située entre l'entrée du gaz réactif dans le four et la zone utile. Typiquement, la zone de préchauffage comprend une pluralité de plateaux perforés parcourus 25 par le gaz réactif. Les plateaux de préchauffage du gaz, de même que les substrats, sont chauffés du fait de leur présence dans le four. Le chauffage de ce dernier est généralement assuré au moyen d'un induit, encore appelé suscepteur, par exemple en graphite, qui définit la paroi latérale du four et est couplé à un inducteur entourant le four. Selon le 30 principe bien connu du chauffage par induction, lorsque le suscepteur est placé dans un champ magnétique variable généré par la circulation d'un courant dans l'inducteur, un courant induit, "reflétant" le courant inducteur, circule dans le suscepteur. Le courant induit circulant dans le suscepteur provoque l'échauffement de ce dernier par effet Joule. La 35 chaleur ainsi dissipée est transmise par rayonnement dans l'enceinte du four délimitée par le suscepteur. 3 La zone de préchauffage est constituée d'éléments dont les propriétés et géométries permettent d'assurer ces deux rôles. Aucune pièce à réaliser n'est disposée dans la zone de préchauffage. La zone de préchauffage est la première zone du réacteur à 5 être traversée par le mélange gazeux. La zone utile, ou chambre de chargement, est la zone du réacteur au sein de laquelle la réaction est assurée et contrôlée de façon à générer, depuis un mélange gazeux de composition maîtrisée, un solide de structure et composition chimique contrôlées. C'est dans cette zone que 10 sont disposées les pièces à traiter. La zone utile est la seconde zone du réacteur qui est traversée par le mélange gazeux. La zone, ou chambre, d'appauvrissement est la zone du réacteur qui permet de limiter le transport des espèces gazeuses n'ayant 15 pas réagit et des sous-produits de réaction, vers les canalisations en sortie de four, et donc vers les groupes de pompage et autres utilités de traitement des effluents. Cette zone d'appauvrissement piège les espèces résiduelles par réaction chimique de type CVD ou CVI sur un substrat poreux, de grande 20 surface spécifique, qui agit comme un substrat sur lequel sont déposés des matériaux dont les caractéristiques chimiques, structurales et mécaniques ne sont pas maîtrisées. La zone d'appauvrissement est la troisième zone du réacteur qui est traversée par le mélange gazeux. 25 Dans un processus de chargement du four, et considérant une injection par le bas, la zone de préchauffage est disposée en première, suit ensuite la zone utile et enfin la zone d'appauvrissement. Dans le cas d'un four à injection de gaz précurseur par le haut, la zone d'appauvrissement est disposée en première, suit la zone utile, et enfin la 30 zone de préchauffage. Comme indiqué plus haut, cet ensemble de trois chambres peut être disposé dans le four d'un seul tenant ou de manière séparée. Ce choix peut dépendre de plusieurs facteurs tels que la constitution du chargement et en particulier de la zone utile, la capacité maximale utile 35 (CMU) des outillages de levage ou encore la capacité de levage du pont 4 roulant ou autre équipement de levage telle qu'un potence ou une chèvre par exemple. En outre, le réacteur du four est généralement fermé par un couvercle constitué d'isolant et éventuellement des brides d'injection des 5 gaz réactifs pour le cas d'une injection des gaz par le haut du four. Ce couvercle est un élément de plus à manipuler lors des phases de chargement et de déchargement d'un tel type de four. Un four industriel conventionnel de ce type est chargé de manière linéaire. C'est-à-dire que, dans le cas d'une injection par le haut, 10 la zone d'appauvrissement est installée en premier lieu ce qui nécessite qu'elle soit préparée avant les autres éléments, par exemple avant les plateaux de chargement. Ensuite les plateaux de chargement de la zone utile sont chargés. Et enfin la zone de préchauffage est chargée alors qu'elle est l'élément qui ne nécessite pas de préparation. 15 Les fours conventionnels génèrent de nombreuses manipulations lors du chargement ou déchargement des différentes zones du four. Pour récupérer les pièces consolidées disposées dans la zone utile, il est indispensable dans les fours conventionnel de décharger la zone d'appauvrissement ou la zone de préchauffage qui peut peser 20 plusieurs centaines de kilogrammes. En effet, en fonction du programme, la fréquence de suivi de la zone de préchauffage qui implique notamment une reprise de masse, et des observations visuelles, peut être diminuée une fois tous les deux ou trois cycles. De même, dans le cadre de cycles de courte durée, la 25 fréquence de remplacement du media de la zone d'appauvrissement pourrait être diminuée. Objet et résumé de l'invention L'invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus 30 en fournissant une installation pour réactions chimiques en phase vapeur permettant de décharger le chargement de la zone utile de l'installation indépendamment des autres zones de l'installation. Un objet de l'invention propose un moufle formant un réacteur pour four de traitement thermique, le moufle comprenant une première 35 enceinte définissant une chambre de préchauffage, une deuxième enceinte définissant une chambre de traitement et une troisième enceinte 5 définissant une chambre d'appauvrissement, la deuxième enceinte étant fermée et disposée entre la première enceinte et la troisième enceinte. Selon une caractéristique générale de l'invention, la deuxième enceinte comprend un dispositif d'accès à l'enceinte permettant d'accéder 5 au contenu de la deuxième enceinte indépendamment de la première et de la troisième enceintes. Les pièces à traiter thermiquement, par exemple par consolidation par voie gazeuse ou par infiltration chimique en phase gazeuse, sont chargées dans la deuxième enceinte qui forme la chambre 10 de traitement du moufle. Le moufle selon l'invention permet ainsi de charger ou décharger des pièces à traiter thermiquement dans la chambre de traitement indépendamment des autres chambres. Le moufle forme ainsi un réacteur à cassettes configuré pour être disposé dans une enceinte d'un four de traitement thermique. 15 La configuration du moufle permet de former aussi bien un moufle destiné à être installé verticalement qu'un moufle destiné à être installé horizontalement dans l'enceinte d'un four de traitement thermique. L'accès facilité aux pièces à traiter dans la chambre de traitement du moufle selon l'invention permet de réduire le nombre de 20 manipulations et notamment le nombre d'éléments à manipuler et ainsi de gagner du temps en termes de préparation. Dans un premier aspect du moufle, la première enceinte peut comprendre un dispositif d'accès à l'enceinte permettant d'accéder au contenu de la première enceinte indépendamment de la deuxième et de la 25 troisième enceintes. Dans un deuxième aspect du moufle, la troisième enceinte peut comprendre un dispositif d'accès à l'enceinte permettant d'accéder au contenu de la troisième enceinte indépendamment de la première et de la deuxième enceintes. 30 Les éléments du moufle peuvent donc être chargés ou déchargés ou manipulés selon le besoin sans ordre particulier Dans un troisième aspect du moufle, le moufle peut comprendre en outre au moins une entrée montée sur la première enceinte et destinée à coopérer avec une entrée de gaz d'un four de 35 traitement thermique, et au moins une sortie montée sur la troisième enceinte et destinée à coopérer avec une sortie de gaz d'un four de 6 traitement thermique, ledit moufle étant destiné à être traversé par un flux gazeux depuis la première enceinte jusqu'à la troisième enceinte. Selon un autre objet de l'invention, il est proposé un four de traitement thermique comprenant une enceinte de four dotée d'un moyen 5 d'ouverture configuré pour ouvrir/fermer une ouverture, l'enceinte étant dotée d'au moins une entrée de gaz, d'au moins un élément résistif configuré pour chauffer l'intérieur de l'enceinte de four. Selon une caractéristique générale de l'objet, le four de traitement thermique comprend un moufle tel que défini d-dessus, le 10 moufle étant amovible et logé dans l'enceinte, et l'ouverture étant configurée pour permettre l'insertion du moufle dans l'enceinte de four. Dans un premier aspect du four, le four peut être configuré pour fonctionner verticalement et recevoir le moufle dont les trois enceintes sont disposées verticalement, le moyen d'ouverture comprenant 15 une porte. Dans un second aspect du four, le four peut être configuré pour fonctionner horizontalement et recevoir le moufle dont les trois enceintes sont disposées horizontalement, le moyen d'ouverture comprenant un couvercle amovible. 20 Brève description des dessins. L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels 25 - la figure 1 présente une vue schématique en coupe de dessus d'un four de traitement thermique selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 illustre une vue schématique en coupe de côté du four de traitement thermique de la figure 1. 30 Description détaillée de modes de réalisation L'invention s'applique à tout type d'installations ou fours à chauffage inductif utilisés pour réaliser des traitements thermiques et dans lesquels le ou les gaz utilisés dans les traitements sont préchauffés dans 35 une chambre de préchauffage avant leur introduction dans la zone de traitement ou de chargement du four. De tels fours sont notamment 7 utilisés pour réaliser des traitements thermochimiques comme la cémentation de pièces ou la densification de substrats poreux par infiltration chimique en phase gazeuse. Sur les figures 1 et 2 sont représentées schématiquement une 5 vue en coupe de dessus et une vue en coupe de côté d'un four de traitement thermique à cassettes selon un mode de réalisation de l'invention. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 et 2, le four 1 présente une enceinte de four 2 comprenant une section circulaire présentation 10 deux premiers piquages 3 destinés à être raccordés chacun à un circuit d'alimentation en azote, deux deuxièmes piquages 4 destinés à être raccordés chacun à un circuit d'extraction d'azote, deux troisièmes piquages 5, désignés comme piquages d'entrée par la suite, destinés à être raccordés à un circuit d'alimentation en gaz précurseur, et un piquage 15 d'extraction 6 destiné à être raccordé à un circuit d'extraction du gaz. L'enceinte de four 2 présente une paroi latérale cylindrique 21, une paroi de fond 22 et une paroi supérieure 23. Le four 1 est configuré pour être chargé par le dessus. Il comprend pour cela un couvercle 7 formant la paroi supérieure 23 lorsqu'il est fermé. Le couvercle 7, ou 20 capot, est monté de façon amovible sur l'enceinte de four 2. Le couvercle 7 permet d'ouvrir ou de fermer une ouverture 8 donnant accès à l'intérieur de l'enceinte de four 2. Le four 1 comprend en outre au moins un élément résistif 9 électriquement raccordé à des moyens d'alimentation électrique, non 25 représentés sur les figures, pour chauffer l'intérieur de l'enceinte de four 2. L'élément résistif 9 est disposé à l'intérieur de l'enceinte de four 2. L'enceinte de four 2 est conformée pour recevoir un moufle 10. Le moufle 10 comprend une première enceinte 11 définissant une chambre de préchauffage, une deuxième enceinte 12 définissant une 30 chambre de traitement et une troisième enceinte 13 définissant une chambre d'appauvrissement, la deuxième enceinte 12 étant disposée entre la première enceinte 11 et la troisième enceinte 13. Le moufle comprend en outre deux entrées 14 de gaz précurseur et une sortie 15 de gaz. Une fois le moufle installé dans 35 l'enceinte de four 2, chacune des deux entrées 14 de gaz précurseur est raccordée à un piquage d'entrée 5 via une conduite 16 d'alimentation, et 8 la sortie 15 de gaz est raccordée au piquage d'extraction 6 via une conduite d'extraction 17. Le moufle 10 est un moufle à cassettes dont les éléments d'une enceinte parmi les première, deuxième et troisième enceintes 11, 12, 13 5 peuvent être manipulés indépendamment des éléments des deux autres enceintes. Chaque enceinte 11, 12, 13 est configurée pour recevoir une cassette, c'est-à-dire un boîtier, configurée pour être logée ou retirée dans l'enceinte correspondante. La deuxième enceinte 12 est configurée pour recevoir les 10 éléments à traiter thermiquement. La cassette destinée à être logée dans la deuxième enceinte 12 est configurée pour recevoir les différents éléments à traiter thermiquement. La configuration du moufle à cassette permet ainsi d'introduire et de retirer d'un seul coup de la deuxième enceinte tous les éléments à traiter thermiquement. 15 Le fonctionnement est similaire pour les première et troisième enceintes 11 et 13. Comme cela est illustré sur la figure 2, chaque enceinte 11, 12 et 13 du moufle 10 comprend un couvercle noté respectivement 110, 120, 130. Ainsi, chaque enceinte 11, 12 et 13 peut être ouverte 20 indépendamment des deux autres et les éléments à l'intérieur de chaque enceinte peuvent être manipulés indépendamment des deux autres enceintes du moufle 10. Notamment, les éléments de la zone utile, c'est-à-dire les éléments de la chambre de traitement peuvent être déchargés 25 indépendamment et éventuellement avant le déchargement de la chambre de préchauffage, et les travaux d'inspection de la chambre de préchauffage, de reprise en masse du média de la chambre d'appauvrissement peuvent être réalisés en tems masqué. Le four 1 selon l'invention permet ainsi de fournir un réacteur 30 multi-programme, au même titre que d'autres fours plus classiques comme les fours fosse ou les fours à soles élévatrices, qui permet la réalisation de différentes pièces en modifiant la conception des éléments internes au moufle comme les éléments de la chambre de préchauffage, la définition des éléments pour le maintien des pièces en chambre de 35 traitement par exemple. 9 Un tel réacteur permet ainsi de gagner du temps, notamment de réduire le temps lié à la manutention des éléments constituant le chargement d'un réacteur. En effet, dans le cas d'un four à cassettes, le chargement est moins conventionnel et peut être réalisé en fonction de 5 l'avancement REVENDICATIONS1. Moufle (10) formant un réacteur pour four de traitement thermique, le moufle (10) comprenant une première enceinte (11) définissant une chambre de préchauffage, une deuxième enceinte (12) définissant une chambre de traitement et une troisième enceinte (13) définissant une chambre d'appauvrissement, la deuxième enceinte (12) étant fermée et disposée entre la première enceinte (11) et la troisième enceinte (13), caractérisé ce que la deuxième enceinte (12) comprend un dispositif d'accès à l'enceinte (120) permettant d'accéder au contenu de la deuxième enceinte (12) indépendamment de la première et de la troisième enceintes (11, 13). 2. Moufle (10) selon la revendication 1, dans lequel la première enceinte (11) comprend un dispositif d'accès à l'enceinte (110) permettant d'accéder au contenu de la première enceinte (11) indépendamment de la deuxième et de la troisième enceintes (12, 13). 3. Moufle (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la troisième enceinte (13) comprend un dispositif d'accès à l'enceinte (130) permettant d'accéder au contenu de la troisième enceinte (13) indépendamment de la première et de la deuxième enceintes (11, 12). 4. Moufle (10) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre au moins une entrée montée sur la première enceinte et destinée à coopérer avec une entrée de gaz d'un four de traitement thermique, et au moins une sortie montée sur la troisième enceinte et destinée à coopérer avec une sortie de gaz d'un four de traitement thermique, ledit moufle étant destiné à être traversé par un flux gazeux depuis la première enceinte jusqu'à la troisième enceinte. 5. Four de traitement thermique (1) comprenant une enceinte 35 de four (2) dotée d'un moyen d'ouverture (7) configuré pour ouvrir/fermer une ouverture (8), l'enceinte étant dotée d'au moins une entrée de gaz 11 (5), et d'au moins un élément résistif (9) configuré pour chauffer l'intérieur de l'enceinte de four (2), caractérisé en ce qu'il comprend un moufle (10) selon l'une des revendications 1 à 4, le moufle (10) étant amovible et logé dans l'enceinte 5 de four (2), et l'ouverture (8) étant configurée pour permettre l'insertion du moufle (10) dans l'enceinte de four (2). 6. Four (1) selon la revendication 5 configuré pour fonctionner verticalement et recevoir le moufle dont les trois enceintes sont disposées 10 verticalement, le moyen d'ouverture comprenant une porte. 7. Four (1) selon la revendication 5 configuré pour fonctionner horizontalement et recevoir le moufle (10) dont les trois enceintes (11, 12, 13) sont disposées horizontalement, le moyen d'ouverture comprenant un 15 couvercle amovible (7).