Brevet FR3125036A1 — publié le 20230113

Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau CMC comprenant la compression à chaud d’une ébauche obtenue par technique AFP qui comprend un matériau de matrice en poudre et la formation de la matrice céramique à partir du matériau de matrice en poudre. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique mettant en œuvre une technique de placement automatique de fibres (« Automated Fiber Placement » ; « AFP »). Il est connu de réaliser des pièces en matériau composite par drapage en forme de strates de renfort fibreux pré-imprégnées. Dans certaines techniques actuelles, le drapage est effectué manuellement par un opérateur. Ces techniques peuvent engendrer des coûts de production de pièces relativement élevés et des risques d’erreur de positionnement des strates. Cela conduit à une certaine variabilité dans les performances mécaniques des pièces obtenues et à des pièces dont les propriétés mécaniques peuvent être améliorées. D’autres solutions ont été développées comme la technique de placement automatique de fibres. Cette technique mécanisée présente un intérêt pour réduire le coût de production des pièces en matériau composite. Dans l’art antérieur, des strates fibreuses sèches peuvent être drapées sur un moule puis injectées de particules céramiques. Des strates fibreuses peuvent également être imprégnées d’une suspension aqueuse comprenant des particules céramiques puis drapées sur une surface afin d’obtenir une préforme de la pièce à obtenir. Les préformes ainsi obtenues sont ensuite séchées puis les particules céramiques sont frittées afin de former la matrice dans la porosité de la préforme. Les performances mécaniques des pièces obtenues par les techniques de placement automatique de fibres de l’art antérieur peuvent toutefois être améliorées, notamment du fait de la présence de macroporosités résiduelles au sein de la matrice. Il existe donc un besoin pour un procédé permettant d’obtenir, avec un coût de production réduit, des pièces en matériau composite à propriétés mécaniques améliorées. L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins : - la formation d’une ébauche de la pièce à obtenir par placement automatique de fibres en déposant une alternance de strates fibreuses poreuses et de bandes distinctes des strates fibreuses et comprenant un matériau de matrice en poudre présent dans un liant, - la formation d’une préforme de la pièce à obtenir par compression à chaud de l’ébauche durant laquelle le liant est fluidifié et migre avec le matériau de matrice en poudre dans une porosité des strates fibreuses, - l’élimination du liant présent dans la préforme, et - la formation de la matrice céramique dans la porosité de la préforme à partir du matériau de matrice en poudre. Pour des raisons de concision, la technique de placement automatique de fibres sera dans la suite désignée par « technique AFP ». L’invention permet de réduire les coûts de fabrication liés au tissage ainsi qu’améliorer la performance industrielle grâce à l’utilisation d’une technique AFP, en termes de précision-répétabilité et de coût de fabrication. En outre, l’invention permet de palier aux macroporosités résultant d’un fluage insuffisant dans le cas des techniques AFP en base aqueuse de l’art antérieur, et peut être mis en œuvre avec un outillage relativement simple et peu coûteux. L’invention permet ainsi de fabriquer, avec un coût de production réduit, des pièces en matériau composite à propriétés mécaniques améliorées, ce qui permet notamment d’obtenir un allégement des éléments formés à partir de telles pièces tout en conservant les performances mécaniques souhaitées. Dans un exemple de réalisation, les bandes comprennent en outre des fibres courtes présentes dans le liant et distinctes du matériau de matrice en poudre, les fibres courtes ayant une longueur moyenne comprise entre 50 µm et 5000 µm. Sauf mention contraire, une dimension « moyenne » désigne la dimension donnée par la distribution granulométrique statistique à la moitié de la population, dite d 50 . Une telle caractéristique permet d’améliorer la tenue des bandes et de faciliter leur placement sur les strates fibreuses. Dans un exemple de réalisation : - la teneur volumique en matériau de matrice en poudre dans les bandes est comprise entre 10% et 40%, préférentiellement entre 15% et 30%, et - la teneur volumique en liant dans les bandes est comprise entre 60% et 90%, préférentiellement entre 70% et 85%. Dans ce cas, les bandes peuvent être dépourvues de fibres courtes. Selon un autre exemple de réalisation : - la teneur volumique en matériau de matrice en poudre dans les bandes est comprise entre 10% et 39%, - la teneur volumique en liant dans les bandes est comprise entre 60% et 89%, et - la teneur volumique en fibres courtes dans les bandes est comprise entre 1% et 30%, préférentiellement entre 1% et 20%. Les jeux de teneurs qui viennent d’être décrits permettent d’optimiser les propriétés des bandes entre, d’une part, l’apport de suffisamment de matériau de matrice pour maîtriser la porosité résiduelle de la pièce obtenue, et, d’autre part, un bon compromis entre flexibilité et rigidité de la bande afin de permettre un traitement aisé par le dispositif de placement automatique de fibres. Dans un exemple de réalisation, le rapport [volume total des strates fibreuses dans l’ébauche] / [volume total des bandes dans l’ébauche] est compris entre 0,5 et 1,5 de préférence 0,6 et 1,2. Sauf mention contraire, ce rapport est pris avant initiation de la compression à chaud. Une telle caractéristique participe à optimiser l’homogénéité de l’imprégnation des strates fibreuses par le liant fluidisé portant le matériau de matrice en poudre, et donc in fine les propriétés mécaniques de la pièce obtenue. Dans un exemple de réalisation, le liant a une température de transition vitreuse inférieure ou égale à 120°C. La température de transition vitreuse peut être déterminée par calorimétrie différentielle à balayage (« Differential Scanning Calorimetry » ; « DSC »). Une telle caractéristique permet de faciliter la fluidification du liant durant la compression à chaud et l’apport du matériau de matrice en poudre dans la porosité des strates fibreuses, notamment dans la porosité intra-fil lorsque les strates fibreuses sont formées à partir d’une pluralité de fils par exemple par tissage de ces fils. La température de transition vitreuse du liant peut être comprise entre 30°C et 120°C. Dans un exemple de réalisation, une température imposée à l’ébauche durant la compression à chaud est supérieure ou égale à 70°C. Une telle caractéristique permet de faciliter la migration du matériau de matrice en poudre dans la porosité des strates fibreuses. La température imposée à l’ébauche durant la compression à chaud peut être comprise entre 70°C et 200°C. Dans un exemple de réalisation, une pression imposée à l’ébauche durant la compression à chaud est supérieure ou égale à 2 bar. Une telle caractéristique permet de faciliter la migration du matériau de matrice en poudre dans la porosité des strates fibreuses. La pression imposée à l’ébauche durant la compression à chaud peut être comprise entre 2 bar et 10 bar. Dans un exemple de réalisation, la matrice est formée par frittage du matériau de matrice en poudre. En variante, une préforme déliantée est obtenue après élimination du liant de la préforme, et la matrice est formée par infiltration d’une composition fondue dans la porosité de la préforme fibreuse déliantée autour du matériau de matrice en poudre. Dans un exemple de réalisation, les strates fibreuses comprennent des fils oxydes et la matrice est une matrice céramique oxyde. La pièce obtenue par le procédé décrit plus haut peut être une pièce de turbomachine, par exemple de turbomachine aéronautique. Elle peut être utilisée pour des applications structurales ou non-structurales. A titre d’exemples non limitatifs, la pièce peut être un arrière-corps, un capot arrière (« aft cowl »), un carénage de pylône arrière (« aft pylon fairing »), un mélangeur. La représente, de manière schématique, une ébauche d’une pièce à obtenir utilisable dans le cadre d’un exemple de procédé selon l’invention. La représente, de manière schématique, une variante de bande pouvant être mise en œuvre dans le cadre de l’invention. La représente, de manière schématique, un dispositif de mise en œuvre d’une technique AFP utilisable dans le cadre de l’invention. La représente, de manière schématique, la préforme de la pièce à obtenir obtenue par compression à chaud de l’ébauche de la . La représente, de manière schématique, la préforme de la après élimination du liant. La représente, de manière schématique, la pièce obtenue après formation de la matrice dans la préforme déliantée de la . Procédé de fabrication d’une pièce (1) en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins : - la formation d’une ébauche (10) de la pièce à obtenir par placement automatique de fibres en déposant une alternance de strates fibreuses (12) poreuses et de bandes (14 ; 140) distinctes des strates fibreuses et comprenant un matériau de matrice (16) en poudre présent dans un liant (18), - la formation d’une préforme (20) de la pièce à obtenir par compression à chaud de l’ébauche durant laquelle le liant est fluidifié et migre avec le matériau de matrice en poudre dans une porosité des strates fibreuses, - l’élimination du liant présent dans la préforme, et - la formation de la matrice céramique (30) dans la porosité de la préforme à partir du matériau de matrice en poudre. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les bandes (140) comprennent en outre des fibres courtes (17) présentes dans le liant (18) et distinctes du matériau de matrice (16) en poudre, les fibres courtes ayant une longueur moyenne comprise entre 50 µm et 5000 µm. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel : - la teneur volumique en matériau de matrice (16) en poudre dans les bandes (14 ; 140) est comprise entre 10% et 40%, et - la teneur volumique en liant (18) dans les bandes est comprise entre 60% et 90%. Procédé selon la revendication 2, dans lequel : - la teneur volumique en matériau de matrice (16) en poudre dans les bandes (140) est comprise entre 10% et 39%, - la teneur volumique en liant (18) dans les bandes est comprise entre 60% et 89%, et - la teneur volumique en fibres courtes (17) dans les bandes est comprise entre 1% et 30%. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le rapport [volume total des strates fibreuses (12) dans l’ébauche (10)] / [volume total des bandes (14 ; 140) dans l’ébauche] est compris entre 0,5 et 1,5. Procédé selon l’une quelconque des revendications à 1 à 5, dans lequel le liant (18) a une température de transition vitreuse inférieure ou égale à 120°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une température imposée à l’ébauche (10) durant la compression à chaud est supérieure ou égale à 70°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel une pression imposée à l’ébauche (10) durant la compression à chaud est supérieure ou égale à 2 bar. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la matrice (30) est formée par frittage du matériau de matrice (16) en poudre. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel une préforme déliantée (22) est obtenue après élimination du liant (18) de la préforme (20), et dans lequel la matrice (30) est formée par infiltration d’une composition fondue dans la porosité de la préforme fibreuse déliantée autour du matériau de matrice (16) en poudre. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les strates fibreuses (12) comprennent des fils oxydes et dans lequel la matrice (30) est une matrice céramique oxyde.