Brevet FR3138347A1 — publié le 20240202

La présente invention concerne un matériau multicouche (1) pour pièces aéronautiques comprenant une couche de support (2) multi-ajourée, une couche barrière (3), et une couche poreuse (4) disposée entre la couche de support et la couche barrière ; dans lequel la couche barrière est formée de dalles (31) métalliques individuelles recouvrant la couche poreuse à la manière d’un pavage. Fig. 1 Matériau multicouche pour pièces aéronautiques La présente invention concerne le domaine technique des matériaux pour pièces aéronautiques. Ces matériaux permettent au moins l’un parmi la maitrise thermique et la combustion d’un système énergétique ; par exemple pour la fabrication de chambres de combustion en propulsion aéronautique. État de la technique Actuellement, les parois des chambres de combustion sont réalisées en tôles d’alliage métallique. Ces tôles d’alliage métallique sont mises en œuvre à haute température, chaudronnées, soudées puis micro-perforées. Les tôles jouent à la fois le rôle d’élément mécanique de structure pseudo-étanche permettant de supporter la différence de pression de part et d’autre de celles-ci et d’encaisser les contraintes thermomécaniques et les vibrations causées par la chaleur de la flamme. Les micro-orifices permettent à l’air de traverser ces parois pour à la fois alimenter la combustion et le refroidissement de la paroi. Malgré cela, les températures auxquelles ces parois sont soumises restent très élevées et les fragilisent. Afin de renforcer ces parois, celles-ci sont généralement recouvertes, côté flamme, d’un revêtement céramique formant une barrière thermique permettant de limiter l’échauffement de la paroi pour qu’elle conserve sa capacité à tenir aux sollicitations. En effet, la matière céramique présente une faible conductivité et un faible coefficient d’absorption du rayonnement. Cette barrière thermique protège alors la tôle sous-jacente des très fortes températures imposées par la flamme. Dans ce cas aussi, les micro-orifices sont réalisés après le dépôt de la barrière thermique pour ne pas être rebouchées par cette dernière. Malheureusement, ce revêtement a tendance à se décoller laissant alors sans protection la tôle. L’amélioration des chambres de combustion passe aussi par la recherche de géométries innovantes et spécifiques selon les zones de celles-ci, notamment pour obtenir des chambres de combustion capables de tenir plus longtemps dans le temps les sollicitations, et pour optimiser la combustion en améliorant l’écoulement d’air provenant des étapes de compresseurs. Les procédés de fabrication additive laser sur lit de poudre (connus sous le sigle LBM pour « Laser Beam Melting » en anglais) offrent une plus grande liberté de conception de ces géométries ; la matière et les orifices de la paroi peuvent être fabriquées simultanément. Cependant, l’utilisation de ces procédés pour la fabrication des parois métalliques simple couche de chambres de combustion présente une limitation de taille. En effet, lors de la dépose de la barrière thermique céramique, les orifices formés par LBM se retrouvent recouvertes par celle-ci ce qui fait perdre son intérêt à ces parois. Alternativement, ces orifices peuvent ne pas être réalisées lors de la fabrication additive mais après la dépose de la barrière thermique céramique par perçage laser ou usinage de décharge électrique (connu sous le sigle EDM pour « Electric Discharge Machining » en anglais). Cependant, ces solutions s’avèrent couteuses les rendant peu viables économiquement. Ainsi, le besoin de disposer d’une solution améliorant la situation existe. La solution identifiée par les présents auteurs n’a pas été de trouver un nouveau procédé de fabrication, mais de modifier la géométrie-même de la paroi. La présente invention propose donc un matériau multicouche pour pièces aéronautiques comprenant : - une couche de support multi-ajourée ; - une couche barrière ; et - une couche poreuse disposée entre la couche de support et la couche barrière ; dans lequel la couche barrière est formée de dalles métalliques individuelles recouvrant la couche poreuse à la manière d’un pavage. La couche de support permet à la fois la tenue mécanique du matériau et la distribution de l’air d’un côté vers l’autre côté. En cela, la couche de support multi-ajourée joue le même rôle que la tôle multi-perforée de l’état de la technique. Le rôle de barrière thermique est joué par la combinaison de la couche barrière et la couche poreuse. C’est une solution géométrique (combinaison d’une couche poreuse et d’une couche d’un pavage de dalles) plutôt que matériau comme l’est la couche céramique de l’état de la technique. La couche barrière est formée de dalles, c’est-à-dire de faible épaisseur, ce qui en diminue la masse. Cette couche barrière est en outre fragmentée par une pluralité de dalles dont les dimensions, espacement et motif peuvent être adaptés localement. Étant donné que cette couche barrière ne supporte pas la structure du matériau multicouche (la couche de support jouant ce rôle), celle-ci peut être réalisée en métal ; cette matière seule en conventionnel ne permet pas d’atteindre des fonctions thermiques très sévères car elle s’affaiblit sans fondre à ces températures alors qu’elle doit supporter la structure. La couche poreuse est une couche semi-dense et est à la fois perméable et relativement souple. Elle sert à maintenir les dalles. Ainsi, cette couche est peu conductrice thermiquement et fait le lien entre les dalles d’un côté et la couche de support de l’autre côté tout en limitant le transfert de chaleur vers la couche de support. Le matériau multicouche peut être typiquement réalisé par fabrication additive et notamment par LBM. La fabrication additive offre une souplesse d’exécution rendant la formation des dalles possible alors qu’une telle structure n’est pas envisageable pour les solutions conventionnelles. En outre, la fabrication des solutions conventionnelles comporte une étape de perforation, étape parfois compliquée à mettre en œuvre du fait de la géométrie parfois très complexe de la tôle. L’utilisation de la fabrication additive permet de concevoir chaque trou plus spécifiquement et donc d’optimiser et réadapter le design plus finement qu’auparavant afin d’obtenir une couche de support multi-ajourée. Concernant les pièces complexes, la fabrication additive présente aussi un intérêt en termes de couts et de délai (réduction du temps et cout de développement, réduction du coût d’obtention car une seule opération de transformation est nécessaire). Ainsi, ce matériau multicouche présente une alternative améliorée aux parois de chambres à combustion actuelles faites de tôles en alliage métallique. D’autres caractéristiques optionnelles sont les suivantes. Chacune des dalles métalliques peut présenter une surface inférieure à 100 mm². Au moins une partie des dalles peut présenter une forme polygonale régulière. Au moins une partie des dalles peut présenter la forme d’un triangle, d’un carré ou d’un hexagone. La couche poreuse peut présenter une structure de type treillis. La couche de support peut présenter des orifices de 0,2 à 3 mm de diamètre. La somme des orifices de la couche de support peut représenter de 1 à 30 %. La couche de support peut être en en alliage métallique ou céramique. Le matériau multicouche peut comprendre une couche de revêtement céramique sur la couche barrière. Le matériau multicouche peut présenter une face convexe formée par la couche de support, et une face concave formée par la couche barrière, ou le cas échéant la couche de revêtement céramique. Un autre aspect de l’invention est une pièce aéronautique réalisée avec le matériau multicouche décrit ci-dessus. Figures D’autres caractéristiques, effets et avantages apparaitrons à la lecture de la description détaillée qui suit en référence aux dessins donnés à titre purement illustratif, parmi lesquels : est une vue schématisée en coupe du matériau multicouche selon l’invention ; est une vue schématisée en coupe du matériau multicouche selon l’invention présentant une face convexe et une face concave ; est vue schématisée d’un exemple de matériau multicouche observé du côté de la couche de support ; est une vue schématisée d’un exemple de matériau multicouche observé du côté de la couche barrière, celle-ci présentant des dalles hexagonales ; est une vue schématisée d’un autre exemple de couche barrière avec des dalles carrées ; est une vue schématisée en coupe du matériau multicouche selon l’invention avec une couche de revêtement céramique ; est une vue schématisée en coupe du matériau multicouche selon l’invention avec une couche de revêtement céramique et présentant une face convexe et une face concave ; est une vue schématisée d’une chambre de combustion mettant en œuvre le matériau multicouche ; présente des exemples de motifs pour une structure de type treillis de la couche poreuse ; illustre un exemple de structure de type treillis obtenue par répétition d’un motif ; et présente un exemple de couche poreuse comprenant des pores. Description détaillée Un matériau multicouche pour pièces aéronautiques selon la présente invention est décrit ci-après en référence aux figures 1 à 7. Ce matériau multicouche 1 comprend une couche de support 2 , une couche barrière 3 , et une couche poreuse 4 disposée entre la couche de support 2 et la couche barrière 3 . La couche de support 2 est la couche conférant au matériau multicouche sa tenue mécanique. La couche de support 2 peut être une couche en alliage métallique ou céramique, par exemple à base nickel, cobalt, alumine, de préférence Hastelloy X ou Inconel718. La couche de support 2 peut présenter une épaisseur de 0,5 mm à 2 mm, de préférence de 0,8 mm à 1,5 mm La couche de support 2 est multi-ajourée et présente une pluralité d’orifices 21 . Ces orifices 21 peuvent être régulièrement répartis sur une ou plusieurs parties de la couche de support 2 . Ces orifices 21 peuvent aussi être régulièrement réparties sur toute la couche de support 2 . Une répartition régulière signifie que les orifices 21 forment un motif, tel un motif triangulaire (chaque orifice 21 a six plus proches voisins) ou un motif carré (chaque orifice 21 a quatre plus proches voisins). La distance centre à centre entre deux orifices 21 plus proches voisins peut être 0,5 à 15 mm, de préférence 3 à 7 mm. Les orifices 21 présentent généralement une forme de disque, mais compte tenu de l’utilisation de la fabrication additive, toute forme peut être envisagée, telles que carrée, octogonale, etc. Les orifices 21 peuvent présenter un diamètre de 0,2 à 3 mm, de préférence de 0,5 à 1,0 mm. Dans le cas d’orifices 21 non circulaires, le diamètre s’entend comme le diamètre d’un cercle ayant la même aire que la forme considérée. Le taux d’occupation des orifices 21 , défini comme le rapport de la surface totale des orifices 21 sur la surface totale de la couche de support 2 , peut être de 1 à 30 %, de préférence de 5 à 15 %. La couche de support 2 peut présenter deux zones, la répartition des orifices 21 de la première zone étant différente de la répartition des orifices 21 de la deuxième zone en termes d’au moins l’un parmi le motif, la distance centre à centre, la forme, le diamètre et le taux d’occupation. La couche barrière 3 est une couche résistant aux températures élevées imposées par les flammes, notamment des chambres de combustion aéronautiques. Ainsi, la couche barrière 3 résiste à des températures de flamme allant jusqu’à au moins 2300°C. La couche barrière 3 est formée de dalles 31 métalliques individuelles disposées à la manière d’un pavage, par exemple avec un jeu interstitiel 32 de 0,1 mm à 1 mm. Le terme pavage provient de l’expression mathématique « pavage du plan » désignant un ensemble de portions d’un plan, par exemple des polygones, dont l’union est le plan tout entier sans recouvrement. Dans le cas de la présente invention, le terme pavage renvoie à un ensemble de portions d’un plan, par exemple des polygones, dont l’union (avec les jeux interstitiels, le cas échéant) est le plan tout entier sans recouvrement. Chacune des dalles 31 forme une portion du plan. Lorsqu’il est présent, le jeu interstitiel 32 est notamment choisi de manière à ne pas être calibrant pour le débit d’air compresseur, c’est-à-dire que la somme de l’aire des jeux interstitiels 32 est supérieure à la somme de l’aire des orifices 21 au moins d’un ordre de grandeur, voire au moins de deux ordres de grandeur. Le jeu interstitiel 32 permet de garantir l’absence de contact d’une dalle 31 avec les dalles 31 adjacentes à l’issue de la fabrication et surtout durant la vie en service du matériau multicouche 1 face à la flamme afin de ne pas engendrer de contraintes thermomécaniques élevées et de ne pas transmettre ces contraintes à la couche de support 2 . Chacune des dalles 31 peut présenter une surface inférieure à 100 mm², par exemple inférieure à 90 mm², 80 mm² ou 70 mm². Ainsi, les dalles sont peu massives ce qui permet leur rapide refroidissement, notamment grâce à l’arrivée d’air traversant (voir exemple de trajets 9 ) le matériau d’abord par la couche de support 2 , puis à travers la couche poreuse 4 . Les dalles 31 peuvent présenter une épaisseur supérieure à 0,1 mm, de préférence supérieure à 0,4 mm. Au moins une partie des dalles 31 peut présenter une forme polygonale régulière, par exemple la forme d’un triangle, d’un carré, d’un hexagone ou d’un octogone. Les formes préférées sont les formes évitant la présence de pointes. Ainsi, des quatre formes exemplifiées ici, la forme hexagonale sera préférée. La forme hexagonale régulière présente des angles de 120° et limite donc les pointes et en outre permet un pavage du plan en utilisant que des dalles hexagonales. Par conséquent, cette forme limite aussi les pics de température maximale tout en restreignant les jeux entre les dalles 31 afin d’éviter que la flamme ne lèche et donc surchauffe la couche de support 2 dans ces zones. Les dalles 31 peuvent être réalisées dans les mêmes matériaux mentionnés ci-dessus pour la couche support 2 et de préférence, sont réalisées dans le même matériau que la couche support 2 . Par couche poreuse 4 , il est compris dans la présente un matériau solide à géométrie fine, encore appelée matrice, renfermant des pores ou des cavités de petite taille et pouvant contenir un ou plusieurs fluides (liquide ou gaz). Ainsi, la couche poreuse 4 est une couche semi dense à la fois perméable et relativement souple qui sert à maintenir en position les dalles 31 . Elle est en outre peu électriquement conductrice et fait le lien mécanique entre la couche support 2 et la couche barrière 3 . Sa souplesse permet de ne pas induire trop de contraintes mécaniques. Enfin, sa densité limite le transfert de chaleur de la couche barrière 3 à la couche de support 2 . Étant poreuse, la couche poreuse 4 présente une surface d’échange importante de refroidissement. Par exemple, quand le matériau est utilisé pour fabriquer une chambre de combustion en propulsion aéronautique, cette surface d’échange est baignée dans le flux d’air venant du compresseur ce qui permet le refroidissement des dalles 31 par l’air du compresseur indirectement à travers la couche poreuse 4 . La couche poreuse 4 peut présenter un taux de vide de 80 à 95 % permettant à la fois de maintenir des dalles 31 , d’éviter d’induire trop de contraintes mécaniques et d’assurer un bon transfert de chaleur. La couche poreuse 4 peut présenter une porosité avec des pores de 0,2 à 1,0 mm. La couche poreuse 4 peut présenter une structure de type treillis (« lattice » ou « lattice truss » en anglais). Une structure de type treillis peut être décrite comme une structure composée d’un assemblage de barres formant des polygones, notamment des triangles et des quadrilatères comme exemplifié par la . Ces barres sont orientées dans les trois directions de l’espace pour former une structure en trois dimensions. Avantageusement, la structure de type treillis peut être formée par la répétition d’un motif unitaire (voir exemple de répétition à la ). Chacune de ces barres joue le rôle d’une ailette de refroidissement. Ainsi, la couche poreuse 4 peut être vue comme composée d’une multitude d’ailettes permettant le refroidissement des dalles 31 . La longueur de ces barres peut être de 0,1 à 7 mm, de préférence de 2 à 4 mm. La section transversale (aire) de ces barres peut être de 0,1 mm² à 1 mm², de préférence de 0,5 mm² à 0,7 mm². Alternativement, la couche poreuse 4 peut présenter une structure avec pores, notamment ouverts, plus classique comme illustrée par la . La structure de type treillis ou les pores peuvent être obtenus par fabrication additive. L’épaisseur de la couche poreuse 4 peut être 0,1 à 5 mm, de préférence de 2 à 3,5 mm. La couche poreuse 4 peut être réalisée dans les mêmes matériaux mentionnés ci-dessus pour la couche support 2 et de préférence, est réalisée dans le même matériau que la couche support 2 . Le matériau multicouche 1 peut comprendre en outre une couche de revêtement céramique 5 sur la couche barrière 3 (voir et ). Contrairement aux matériaux généralement employés pour la fabrication de chambre de combustion, il n’y a pas d’inconvénient à renforcer les propriétés barrière thermique de la couche barrière 3 avec une couche de revêtement céramique 5 . En effet, la couche barrière 3 protège les orifices 21 de la couche de support 2 contre un recouvrement par le revêtement céramique 5 . En outre, bien qu’un bouchage partiel du jeu interstitiel entre les dalles 31 est possible, il n’est pas nocif notamment si la surface totale occupée par le jeu interstitiel entre les dalles 31 est dimensionnée de manière à ne pas être calibrant pour le débit d’air compresseur. Le revêtement céramique peut être en alumine ou zircone. Le revêtement céramique 5 peut présenter une épaisseur de 0,1 mm à 0,5 mm. Le matériau multicouche 1 peut présenter une face convexe 11 formée par la couche de support 2 , et une face concave 12 formée par la couche barrière 3 , ou le cas échéant la couche de revêtement céramique 5 (voir et ). La face convexe 11 est orientée vers l’extérieur de la chambre de combustion alors que la face concave 12 est orientée vers l’intérieur de celle-ci. Quand il est indiqué que le matériau multicouche 1 comprend les trois couches, cela ne signifie pas nécessairement que les trois, voire quatre, couches 2 , 3 , 4 , 5 sont présentes sur toute la surface du matériau multicouche 1 . En effet, une ou plusieurs zones peuvent n’être réalisées qu’avec la couche de support 1 , notamment si ces zones sont destinées à ne pas être exposées ou peu exposées à une flamme. Bien entendu, toute la surface du matériau multicouche 1 peut comporter les trois, voire quatre, couches 2 , 3 , 4 , 5 . Sur cette pièce complexe, il y a aussi un intérêt couts et délai (temps et cout de développement moindre, coût d’obtention moindre car une seule opération de transformation nécessaire). En outre, la couche poreuse 4 n’est pas aisée à fabriquer autrement que par LBM et s’avérerait couteuse autrement. La représente schématiquement un exemple de pièce aéronautique 10 réalisée avec le matériau multicouche 1 décrit ci-dessus. Sur cette figure, seule une partie de cette pièce aéronautique 10 est représentée. Cette pièce présente un axe de révolution 10A et une enveloppe 101 définissant une chambre de combustion 102 . Vu de la chambre de combustion 102 , l’enveloppe 101 est concave. L’enveloppe 101 est réalisée dans le matériau multicouche 1 décrit ci-dessus. Ainsi, l’air en provenance du compresseur peut traverser l’enveloppe 101 (exemple de trajet 9 ) pour alimenter la flamme F à l’intérieure de la chambre de combustion 102 . Cependant, l’utilisation d’un tel matériau multicouche tel que décrit ici n’est pas limitée à la pièce aéronautique. En effet, le matériau multicouche peut être utilisé pour la fabrication de pièces structurelles nécessitant notamment une protection contre les flux chauds. Matériau multicouche (1) pour pièces aéronautiques comprenant : - une couche de support (2) multi-ajourée ; - une couche barrière (3) ; et - une couche poreuse (4) disposée entre la couche de support et la couche barrière ; dans lequel la couche barrière est formée de dalles (31) métalliques individuelles recouvrant la couche poreuse à la manière d’un pavage. Matériau multicouche selon la revendication 1, dans lequel chacune des dalles métalliques présente une surface inférieure à 100 mm². Matériau multicouche selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel au moins une partie des dalles présente une forme polygonale régulière. Matériau multicouche selon la revendication 3, dans lequel au moins une partie des dalles présente la forme d’un triangle, d’un carré ou d’un hexagone. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche poreuse présente une structure de type treillis. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche de support présente des orifices (21) de 0,2 à 3 mm de diamètre. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la somme des orifices de la couche de support représente de 1 à 30 %. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel la couche de support est en en alliage métallique ou céramique. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant une couche de revêtement céramique (5) sur la couche barrière. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 9, présentant une face convexe (11) formée par la couche de support, et une face concave (12) formée par la couche barrière, ou le cas échéant la couche de revêtement céramique. Pièce aéronautique réalisée avec le matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 10.