Brevet FR3095202A1 — publié le 20201023

Description Titre de l'invention : Douille en oxyde pour matériaux composites oxyde/oxyde Domaine technique [0001] La présente invention s'inscrit dans le domaine technique des pièces en matériaux composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde et plus particulièrement des moyens d'assemblage de telles pièces. Technique antérieure [0002] Les matériaux composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde présentent une microporosité très élevée ce qui leur confère de bonnes propriétés dissipatives de chaleur pour un poids relativement peu élevé. Ils conviennent pour des applications pour des pièces de turbomachine, notamment pour des pièces en sortie de tuyère. Néanmoins, leur microporosité élevée est associée à une résistance mécanique peu élevée, notamment en tenries de résistance au matage ou de tenue en compression. Il est par conséquent nécessaire, lors de l'assemblage de telles pièces de travailler avec des couples de serrage peu élevés pour générer peu de contraintes et ne pas endommager localement les composites. Il faut de plus prévoir un grand nombre de points de fixation ce qui alourdit l'ensemble de la structure, et n'est donc pas souhaitable pour une application aéronautique. Par ailleurs, les matériaux composites sont difficiles à usiner une fois formés. Ainsi, les moyens de fixation par des liaisons boulonnées ou rivetées qui nécessitent le perçage d'une pièce en matériau composite n'apportent pas une entière satisfaction quand il s'agit d'assembler des pièces en matériaux composites. [0003] Il demeure un besoin pour un produit permettant de fixer des pièces en matériaux composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde qui soit dénué des limitations précitées. Exposé de l'invention [0004] La présente invention vise précisément à répondre à ce besoin. [0005] Dans un mode de réalisation, l'invention concerne une préforme fibreuse d'un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une douille monolithique composée d'un oxyde, caractérisée en ce que la surface de la douille au contact de la préforme fibreuse comporte au moins un épaulement pris en sandwich entre des fibres de la préforme fibreuse. [0006] La douille composée d'un oxyde, permet d'augmenter localement les propriétés mé- caniques du matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde, obtenu après densification de la préforme et notamment sa résistance au matage ou en coin- 2 pression. [0007] En effet, les oxydes monolithiques possèdent d'excellentes capacités de tenue en compression ou en matage. Ceci permet d'atteindre au niveau des douilles des couples de serrage inaccessibles avec seulement la matrice oxyde. [0008] De plus, le ou les épaulement( s) ménage(s) à la surface de la douille en contact avec la préforme fibreuse permettent, après densification de la préforme, une excellente tenue mécanique de la douille dans la pièce en matériau composite. [0009] Dans un mode de réalisation, la douille est réalisée par fabrication additive. Un tel mode de réalisation représente un moyen économique de fabriquer une douille dont les dimensions, en particulier la géométrie du ou des épaulement(s), peuvent être parfaitement maîtrisées. [0010] Dans un mode de réalisation, la surface de la douille en contact avec la préforme fibreuse comporte un épaulement circulaire. [0011] Un tel épaulement est disposé pour être facilement pris en sandwich entre des fibres de la préforme fibreuse lors de la mise en place d'une douille. De plus, une fois la préforme densifiée, l'épaulement inséré dans la pièce en matériau composite assure une forte cohésion entre la douille et la pièce en matériau composite. [0012] Les modes de réalisation de l'invention ne sont pas limités à un seul épaulement circulaire. La douille peut en effet comporter deux ou plus de deux épaulements circulaires. Dans de tels modes de réalisation, des fibres de la première pièce peuvent être intercalées entre chacun des différents épaulements ce qui renforce encore davantage la cohésion entre la douille et la préforme fibreuse. [0013] Dans un autre mode de réalisation, la surface de la douille en contact avec la préforme fibreuse comporte une pluralité d'épaulements hélicoïdaux. De tels épaulements assurent une tenue accrue des douilles dans la direction transverse à la douille, mais également lors d'une sollicitation de la douille en cisaillement, par exemple lors du serrage d'une vis dans la douille. [0014] Dans un mode de réalisation, la douille comporte une première extrémité conique de sorte qu'elle est adaptée pour recevoir une vis à tête conique. Un tel mode de réalisation permet d'utiliser une vis à tête conique sans nécessiter d'usinage préalable ni de la vis, ni de la préforme fibreuse. [0015] Dans un mode de réalisation, la douille comporte une seconde extrémité plate, de sorte qu'elle est adaptée à accueillir un écrou. Un tel mode de réalisation permet d'utiliser un écrou sans nécessiter d'usinage préalable ni de l'écrou, ni de la préforme fibreuse. [0016] Dans un mode de réalisation, la douille comporte une première extrémité conique et une seconde extrémité plate. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une douille permettant la fixation de la pièce au moyen d'une vis à tête conique et d'un écrou sans 3 nécessiter d'usinage préalable. [0017] Dans un mode de réalisation, la douille est composée d'un matériau de composition chimique proche de la matrice oxyde du matériau composite, voire identique à la matrice d'oxyde du matériau composite. [0018] Ce mode de réalisation permet de proposer une douille dont le comportement en tem- pérature est proche de celui de la pièce obtenue après densification de la préforme. En particulier, avoir des coefficients de dilatation thermique proches entre la pièce en matériau céramique et la douille permet d'éviter que des contraintes n'apparaissent entre la douille et la pièce en matériau céramique lors d'une sollicitation thermique. [0019] Par exemple, la douille peut être réalisée en alumine, en mullitc, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphatc, ou un mélange de ces composants. [0020] L'invention concerne également une pièce en matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une préforme fibreuse telle que décrite ci-dessus, densifiée par une matrice céramique de type oxyde/oxyde. [0021] L'invention concerne également un procédé de préparation d'une pièce en un matériau composite tel que décrit ci-dessus comprenant une étape d'insertion d'au moins une douille telle que décrite ci-dessus au cours du drapagc d'une préforme fibreuse d'un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde, et une étape de densification de la préforme fibreuse. Brève description des dessins [0022] [fig.1] La figure 1 décrit schématiquement une préforme fibreuse comprenant une douille, [0023] W8.21 La figure 2 est une photographie d'une douille selon un premier mode de réa- lisation, [0024] [fig.31 La figure 3 est une photographie d'une douille selon un deuxième mode de réalisation. Description des modes de réalisation 100251 L'invention est à présent décrite au moyen des figures, présentes à titre illustratif, et ne devant pas être interprétées comme limitant la portée de la présente invention. 100261 La figure 1 représente schématiquement une préforme fibreuse 101 comprenant une douille monolithique 100 selon un mode de réalisation de l'invention. La surface de la douille au contact de la préforme fibreuse SI comporte un épaulement 14 pris en sandwich entre des fibres 15 de la préforme fibreuse. 100271 La préforme fibreuse 101 peut être réalisée par empilements de strates ou plis obtenus par tissage bidimensionnel (2D). La préforme peut également être réalisée directement en une seule pièce par tissage tridimensionnel (3D). Par « tissage bidimensionnel », on entend ici un mode de tissage classique par lequel chaque fil de trame passe d'un côté à l'autre de fils d'une seule couche de chaîne ou inversement. Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », on entend ici un tissage pour lequel des fils de chaine traversent plusieurs couches de fils de trame, ou des fils de trame traversent plusieurs couches de fils de chainc. [0028] La préforme fibreuse 101 peut également être réalisée par des nappes de fibres unidi- rectionnelles (UD), qui peuvent être obtenues par placement automatique des fibres (AFP pour « Automated Fibre Placement » selon l'expression anglo-saxonne), ou par enroulement filamentairc. [0029] La préforme fibreuse 101 peut être réalisée à partir de fibres constituées des matériaux suivants : l'alumine, la munit°, la silice, un aluminosilicate, un borosilicate, du carbure de silicium, du carbone, ou un mélange de plusieurs de ces matériaux. [0030] La préforme fibreuse comporte au moins une douille 100 ménageant une ouverture 16 dans la préforme fibreuse 101 et présentant des propriétés mécaniques supérieures à celles de la préforme fibreuse 101. [0031] Cette douille 411 permet d'assurer localement une résistance mécanique suffisante pour permettre un assemblage par des moyens de fixation sollicitant la pièce en matage ou en compression, tels que des liaisons boulonnées ou rivetées. [0032] Dans le mode de réalisation représenté, la douille 100 présente une partie cylindrique 10 définissant une ouverture 16 qui permet le passage d'un élément de fixation, par exemple une vis ou un rivet, non représenté. La partie cylindrique 10 de la douille 100 présente de préférence une résistance en cisaillement supérieure à celle du matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde. [0033] Dans le mode de réalisation représenté, la surface interne de la partie cylindrique 10 de la douille 100 est lisse. Dans un mode de réalisation alternatif non représenté, la partie cylindrique 10 de la douille 100 peut être filetée. Ce mode de réalisation permet une meilleure tenue mécanique dans le cas où une vis est utilisée comme moyen de fixation. [0034] Comme représenté en figure 1, la douille 100 peut présenter une première extrémité dotée d'une collerette 11 présentant une face interne 12 conique. Une telle collerette 11 permet l'utilisation de vis à têtes coniques standards sans nécessiter d'usinage préalable ni de la vis, ni de la préforme fibreuse. [0035] De plus, la présence d'une collerette 11 permet d'augmenter la surface de contact S2 entre la douille 100 et la préforme fibreuse. Cette augmentation de la surface de contact permet de mieux répartir l'effort de matage ou de compression sur la matrice céramique de la pièce obtenue après densification de la préforme fibreuse, et ainsi augmenter la résistance au matage et en cisaillement au niveau de la douille. [0036] Dans un autre mode de réalisation non représenté, la douille peut présenter une première extrémité plane pour accueillir les vis à têtes planes ou une collerette cy- lindrique pour accueillir les vis à têtes cylindriques. [0037] Comme représenté en figure 1, la douille peut présenter une deuxième extrémité 13 plate, de sorte qu'elle permette d'assurer un contact optimal avec un écrou. [0038] Dans un mode de réalisation, la douille présente une première extrémité 11 conique, et une seconde extrémité 13 plate, de sorte qu'elle soit adaptée à recevoir une vis à tête conique et un écrou. [0039] L'invention concerne également une pièce en matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une préforme fibreuse telle que décrite ci-dessus, densifiée par une matrice céramique de type oxyde/oxyde. [0040] Dans un mode de réalisation, illustré par la figure 2, la douille 200 peut présenter plusieurs épaulements circulaires 24. [0041] Dans un autre mode de réalisation illustré à la figure 3, la douille peut présenter des épaulements 34 de formes hélicoïdales. La géométrie hélicoïdale des épaulements permet d'assurer une bonne tenue de la douille que celle-ci soit sollicitée dans le sens vertical de son ouverture 16 ou dans le sens d'une sollicitation par une contrainte de cisaillement, par exemple lors du vissage ou du dévissage d'un moyen de fixation la traversant. [0042] L'invention concerne également une pièce en matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une préforme fibreuse telle que décrite ci-dessus, densifiée par une matrice céramique de type oxyde/oxyde. [0043] Dans un mode de réalisation, la matrice céramique d'une telle pièce peut être en alumine, en mullite, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphate, ou un mélange de ces composants. [0044] L'invention concerne également un procédé de préparation d'un matériau composite comprenant une étape d'insertion d'au moins une douille telle que décrite ci-dessus au cours du drapage d'une préforme fibreuse d'un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde, et une étape de densification de la préforme fibreuse. [0045] L'étape de drapage peut correspondre à l'empilement de strates ou plis décrits ci- dessus pour former la préforme fibreuse. Le placement des douilles d'oxyde au stade du drapage permet d'assurer que l'épaulement de la douille soit effectivement pris en sandwich entre différentes fibres de la préforme fibreuse. Le cas échéant, il est possible de repositionner correctement la douille, sans avoir à recommencer l'intégralité du procédé. [0046] Dans un mode de réalisation, une même préforme fibreuse peut comporter plusieurs douilles, de sorte que la pièce en matériau composite obtenue après densification de la préforme présente plusieurs ouvertures. [0047] Dans un mode de réalisation, les fibres peuvent être pré-imprégnées par exemple au moyen d'une barbotine chargée de particules céramiques d'oxyde. Une telle pré- 6 imprégnation permet d'obtenir une phase de matrice plus homogène après densification de la préforme fibreuse. [0048] Pour l'obtention d'une matrice céramique de type oxyde, les particules peuvent être en alumine, en rnullitc, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en alumine-phosphate, ou un mélange de ces composants. [0049] L'étape de densification de la préforme fibreuse comprenant une douille peut être réalisée par un procédé connu en soit. [0050] Bien entendu, le procédé de densification est choisi de sorte que la douille composée d'un oxyde ne soit pas affectée par le procédé de densification. [0051] Dans un mode de réalisation, le procédé de densification de la préforme est réalisé par moulage par transfert de résine. [0052] Dans un mode de réalisation, la barbotine utilisée pour un tel moulage par transfert de résine peut être une barbotine chargée de particules céramiques d'oxyde. [0053] Comme dans l'étape de pré-imprégnation, les particules composant la barbotine pour le moulage par transfert de résine peuvent être en alumine, en [1-milite, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphatc, ou un mélange de ces composants. [0054] Dans un mode de réalisation, l'étape de densification de la préforme fibreuse peut être suivie d'étapes supplémentaires telles qu'un frittage à haute température, ou une étape d'usinage final. 7 REVENDICATIONS[Revendication 1] Préforme fibreuse d'un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins une douille monolithique (100) composée d'un oxyde, caractérisée en ce que la surface de la douille au contact de la préforme fibreuse (S1) comporte au moins un épaulement 14 pris en sandwich entre des fibres (15) de la préforme fibreuse. [Revendication 2] Préforme fibreuse selon la revendication 1, dans laquelle la douille 100 est réalisée par fabrication additive. [Revendication 3] Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la surface de la douille au contact de la préforme fibreuse (Si) comporte un épaulement circulaire (24). [Revendication 4] Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la surface de la douille au contact de la préforme fibreuse (Si) comporte une pluralité d'épaulements hélicoïdaux (34). [Revendication 5] Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la douille (100) comporte une première extrémité 11 conique et une seconde extrémité (13) plate. [Revendication 6] Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la douille (100) est en alumine, en mullite, en silice, en zircone, en aluminosilicate ou en aluminophosphate, ou un mélange de ces composants. [Revendication 7] Pièce en matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde comprenant au moins préforme fibreuse (101) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ladite préforme étant densifiée par une matrice céramique de type oxyde/oxyde. [Revendication 8] Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon la re- vendication 7 comprenant une étape d'insertion d'au moins une douille (100) conforme à celle des revendications 1 à 6 au cours du drapage d'une préforme fibreuse (101) d'un matériau composite à matrice céramique de type oxyde/oxyde, et une étape de densification de la préforme fibreuse.