Brevet FR3101629A1 — publié le 20210409

Procédé de fabrication d’une pièce en CMC L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en CMC avec une phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un haut module de Young. Figure pour l’abrégé : Fig.2 . Procédé de fabrication d'une pièce en CMC L'invention concerne des pièces en composite à matrice céramique (CMC) et des procédés pour fabriquer de telles pièces. Un domaine d'application de l'invention réside dans la réalisation de pièces qui sont destinées à être exposées à des températures de service élevées, spécifiquement dans les domaines de l'aviation et de l'espace, et en particulier de pièces pour les parties chaudes des moteurs à turbine d'avion, étant entendu que l'invention peut être appliquée à d'autres domaines, par exemple au domaine des turbines à gaz industrielles. Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés thermostructurales, c'est-à-dire de bonnes propriétés mécaniques qui les rendent adaptés à la constitution de pièces structurales, conjointement avec l'aptitude à conserver ces propriétés à des températures élevées. Les matériaux CMC comprennent un renfort fibreux fait de câbles de matériaux céramiques ou carbonés présents dans une matrice céramique. L'utilisation de matériaux CMC au lieu de matériaux métalliques pour des pièces qui sont exposées à des températures de service élevées est souhaitable, en particulier car ces matériaux présentent une masse volumique qui est considérablement inférieure à la masse volumique des matériaux métalliques qu'ils remplacent. On sait notamment fabriquer une pièce en CMC au moyen d'une technique dans laquelle des plis de fibres revêtues d'une interphase sont imprégnés par un mélange de résine et ensuite superposés dans l'orientation souhaitée pour que soit obtenue une préforme de la pièce à obtenir. Après la formation de la préforme, la résine est pyrolysée et ensuite une densification de la préforme est effectuée par infiltration avec du silicium fondu ou un alliage de silicium fondu pour former une matrice céramique. Les inventeurs ont observé que le produit ainsi obtenu peut ne pas être entièrement satisfaisant parce que des couches de matrice entre chaque pli peuvent conduire à une faiblesse au fluage à température, due à la présence de silicium libre. Dans ce type de produit, les phases de matrice incorporées, caractérisées par une faible résistance au fluage, sous la forme de silicium libre dans la matrice obtenue par infiltration à l'état fondu, peuvent conduire à une surcharge des fibres dépassant leur résistance au fluage et donc à une diminution du temps de rupture. Il est donc souhaitable de mettre à disposition des pièces en CMC ayant de meilleures propriétés mécaniques, et en particulier une meilleure résistance au fluage, aux températures élevées. La présente invention met à disposition un procédé de fabrication d'une pièce en CMC, le procédé comprenant au moins : - le revêtement d'une pluralité de câbles avec une interphase par transport des câbles à travers une chambre de traitement dans laquelle une phase gazeuse est injectée, les câbles étant mis sous tension durant leur transport et l'interphase étant formée par dépôt en phase vapeur à partir de la phase gazeuse injectée ; - la formation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel utilisant les câbles revêtus de l'interphase ; et - la formation d'une préforme fibreuse consolidée par traitement de la préforme fibreuse par infiltration chimique en phase vapeur pour former une phase de consolidation sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa. Sauf mention contraire, le module de Young de la phase de consolidation est mesuré à 20°C. La combinaison du renfort obtenu par tissage tridimensionnel et de la phase de consolidation de carbure de silicium obtenue par infiltration chimique en phase vapeur (CVI) avec un module élevé conduit à un réseau 3D interconnecté et rigide sans silicium libre, qui confère au matériau une résistance au fluage élevée à haute température. Les inventeurs ont aussi observé que la formation de l'interphase par dépôt en phase vapeur sur un câble transporté sous tension réalise un revêtement individuel autour de chaque fibre du câble, ainsi qu'un bon remplissage intra-câble, du fait d'un effet avantageux de l'espacement des fibres dans le câble. Le remplissage du câble est donc plus homogène en comparaison avec la formation de l'interphase par CVI sur les fibres d'une préforme déjà tissée dans laquelle la perméabilité aux gaz des câbles est limitée. Dans l'invention, l'interphase formée offre notamment un meilleur transfert de charge de fibre à fibre et aussi évite le risque d'une liaison vitreuse (« glass linkage ») et d'une rupture de faisceaux de fibres adjacentes durant une exposition oxydante. La solution proposée par la présente invention met donc à disposition une pièce en CMC ayant de meilleures propriétés mécaniques aux températures élevées. Dans un mode de réalisation, la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa, par exemple supérieur ou égal à 400 GPa. Cette caractéristique améliore davantage encore la résistance au fluage de la pièce en CMC. Dans un mode de réalisation, la porosité volumique résiduelle de la préforme fibreuse consolidée est située dans la plage allant de 25 % à 45 %, par exemple dans la plage allant de 30 % à 35 %. Les inventeurs ont observé que cette caractéristique optimise avantageusement la résistance au fluage aux températures élevées. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre la densification de la préforme fibreuse consolidée par formation d'une phase de matrice en carbure de silicium sur la phase de consolidation par infiltration avec une composition fondue comprenant du silicium, des particules de carbone et/ou de céramique étant présentes dans la porosité de la préforme consolidée avant l'infiltration. Cette caractéristique conduit avantageusement à une matrice en céramique ayant une faible porosité, ce qui réduit ainsi les concentrations de contrainte sous charge mécanique et améliore la résistance de la matrice aux fissurations. Dans un mode de réalisation, l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique ou carbone dopé au bore. Dans un exemple, l'interphase peut être recouverte d'une couche protectrice d'au moins l'un des matériaux suivants : nitrure de silicium ou carbure de silicium. Dans un mode de réalisation, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. La présente invention met aussi à disposition une pièce en CMC comprenant au moins : - un renfort fibreux tissé 3D comprenant une pluralité de câbles, les câbles ayant une pluralité de fibres qui sont revêtues individuellement d'une interphase ; et - une phase de consolidation densifiant le renfort fibreux et située sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa, la phase de consolidation ne contenant pas de silicium libre. Cette pièce en CMC peut être obtenue par mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus. Dans un mode de réalisation, la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa, par exemple supérieur ou égal à 400 GPa. Comme indiqué ci-dessus, cette caractéristique améliore davantage encore la résistance au fluage de la pièce en CMC. Dans un mode de réalisation, la fraction volumique de la phase de consolidation est située dans la plage allant de 5 % à 30 %, par exemple dans la plage allant de 10 % à 30 %. Cette caractéristique optimise avantageusement la résistance au fluage aux températures élevées. Dans un mode de réalisation, la pièce comprend en outre une phase de matrice en carbure de silicium située sur la phase de consolidation, ladite phase de matrice en carbure de silicium ayant une porosité volumique résiduelle inférieure ou égale à 8 %. Comme indiqué ci-dessus, cette caractéristique réduit avantageusement les concentrations de contrainte sous charge mécanique et améliore la résistance de la matrice aux fissurations. Dans un mode de réalisation, l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique, et carbone dopé au bore. Dans un mode de réalisation, les câbles comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. A titre d'exemple, la pièce peut être une pièce de moteur à turbine. A titre d'exemple, la pièce peut être un anneau de turbine ou un secteur d’anneau de turbine, une aube mobile, une aube fixe, une paroi de chambre de combustion, ou un distributeur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à partir de la description qui suit, qui est présentée de manière non limitative et en référence aux dessins joints, dans lesquels : La figure 1 est un ordinogramme d'un exemple d'un procédé selon l'invention ; et La figure 2 illustre d'une façon générale un dispositif pour former l'interphase sur les câbles alors qu'ils sont transportés à travers une chambre de traitement qui peut être utilisé dans l'invention. Procédé de fabrication d'une pièce en CMC, le procédé comprenant au moins : - le revêtement d'une pluralité de câbles (2) avec une interphase par transport des câbles à travers une chambre de traitement (4) dans laquelle une phase gazeuse (10) est injectée, les câbles étant mis sous tension durant leur transport et l'interphase étant formée par dépôt en phase vapeur à partir de la phase gazeuse injectée ; - la formation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel utilisant les câbles revêtus de l'interphase ; et - la formation d'une préforme fibreuse consolidée par traitement de la préforme fibreuse par infiltration chimique en phase vapeur pour former une phase de consolidation sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la porosité volumique résiduelle de la préforme fibreuse consolidée est située dans la plage allant de 25 % à 45 %. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le procédé comprend en outre la densification de la préforme fibreuse consolidée par formation d'une phase de matrice en carbure de silicium sur la phase de consolidation par infiltration avec une composition fondue comprenant du silicium, et dans lequel des particules de carbone et/ou de céramique sont présentes dans la porosité de la préforme consolidée avant l'infiltration. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique ou carbone dopé au bore. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les câbles (2) comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. Pièce en CMC comprenant au moins : - un renfort fibreux tissé 3D comprenant une pluralité de câbles (2), les câbles ayant une pluralité de fibres qui sont revêtues individuellement d'une interphase ; et - une phase de consolidation densifiant le renfort fibreux et située sur l'interphase, la phase de consolidation comprenant du carbure de silicium et ayant un module de Young supérieur ou égal à 350 GPa, la phase de consolidation ne contenant pas de silicium libre. Pièce en CMC selon la revendication 7, dans laquelle la phase de consolidation a un module de Young supérieur ou égal à 375 GPa. Pièce en CMC selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle la fraction volumique de la phase de consolidation est située dans la plage allant de 5 % à 30 %. Pièce en CMC selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, laquelle pièce comprend en outre une phase de matrice en carbure de silicium située sur la phase de consolidation, ladite phase de matrice en carbure de silicium ayant une porosité volumique résiduelle inférieure ou égale à 8 %. Pièce en CMC selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans laquelle l'interphase est formée d'au moins une couche des matériaux suivants : nitrure de bore, nitrure de bore dopé au silicium, carbone pyrolytique, et carbone dopé au bore. Pièce en CMC selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans laquelle les câbles (2) comprennent des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène qui est inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique.