Brevet FR3129392A1 — publié le 20230526

Procédé d’obtention 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, la pièce ayant une symétrie de révolution, le procédé comprenant : - une étape de tissage d’une préforme fibreuse (30, 40’, 40’’) par un procédé de tissage de contour sur un mandrin ; - le déploiement de la préforme fibreuse sur un conformateur (70, 73) ; - une étape de formage ; le profil défini du mandrin étant obtenu en parcourant la projection (10, 20) depuis l’une de ses extrémités et : - en réalisant à chaque point de rebroussement (101, 201, 202) une symétrie de la partie de la projection (10, 20) au-delà du point de rebroussement par rapport à la perpendiculaire à l’axe de révolution (R) passant par le point de rebroussement ; puis, après avoir parcouru l’intégralité de la projection, - en réalisant une réduction proportionnelle de la distance entre chaque point du profil (11, 21) ainsi obtenu et l’axe de révolution. Figure pour l’abrégé : Fig. 6 Procédé d’obtention d’une pièce en matériau composite à matrice céramique. L’invention concerne le domaine des matériaux composites à matrice céramique, et plus précisément un procédé de préparation d’une partie d’une pièce en matériau composite à matrice céramique ayant une symétrie de révolution. Les matériaux composites à matrice céramique (matériaux CMC) possèdent de bonnes propriétés thermostructurales, c'est-à-dire des propriétés mécaniques élevées qui les rendent aptes à constituer des pièces structurales, et la capacité de conserver ces propriétés à hautes températures. Les matériaux composites à matrice céramique sont généralement obtenus par une première étape de fabrication d’une préforme fibreuse, notamment tissée, correspondant à la forme de la pièce désirée, puis une seconde étape de remplissage de la préforme par une matrice. Néanmoins ces procédés de préparations nécessitent d’obtenir une préforme fibreuse dont la forme correspond à la forme de la pièce finale, et les pièces accessibles sont donc limitées aux géométries pouvant être obtenues soit par tissage, soit par drapage. Ces contraintes sur la forme de la pièce à obtenir impose que certaines pièces qu’il serait préférable de réaliser en matériau composite pour des questions de performances ou de poids, sont traditionnellement réalisées en métal, en raison de limitations techniques des procédés de tissage qui ne permettent pas l’obtention des préformes aux géométries adaptées. C’est notamment le cas des pièces dont la géométrie est axisymétrique et comporte un ou plusieurs points de rebroussement. En effet, dès lors qu’un point de rebroussement existe dans une pièce axisymétrique, il n’est pas possible d’en obtenir une préforme fibreuse par les procédés conventionnels de tissage ou de drapage. Pour la fabrication des préformes de telles pièces, il est actuellement envisagé de préparer plusieurs plis de tissus et de raccorder ces derniers les uns aux autres en les drapant. Une autre solution pour parvenir à produire de telles pièces en CMC est de confectionner la préforme en raccordant entre elles plusieurs préformes de révolution. Il en résulte une étape de formation de la préforme fibreuse plus complexe du fait des raccords entre les différentes pièces. De plus, les points de jonctions entre les différents tissus peuvent poser des problèmes d’inhomogénéités notamment lors de l’infiltration de la préforme par une matrice. L’invention vise justement à proposer un procédé de fabrication d’une préforme axisymétrique comportant des points de rebroussement qui ne nécessiterait pas de relier entre elle plusieurs préformes. L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, la pièce ayant une symétrie de révolution par rapport à un axe (R) et dont la projection dans un plan (Δ) comprenant l’axe de révolution comprend un ou plusieurs point(s) de rebroussement, défini comme un point de la projection dont la tangente est perpendiculaire à l’axe de révolution et pour lequel la projection ne traverse pas la tangente, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : une étape de tissage d’une préforme fibreuse par un procédé de tissage de contour et l’enroulement de la préforme fibreuse sur un mandrin de diamètre variable dont une partie a un profil prédéfini ; le déploiement de la préforme fibreuse sur un conformateur à la géométrie de la pièce et comprenant au moins une étape de retournement, pour le ou les endroit(s) de la préforme fibreuse correspondant à des points de rebroussement; une étape de formage de la préforme fibreuse déployée sur le conformateur à la géométrie de la pièce, le profil prédéfini du mandrin de diamètre variable étant obtenu dans le plan Δ en parcourant la projection depuis l’une de ses extrémités et : en réalisant à chaque point de rebroussement une symétrie de la partie de la projection au-delà du point de rebroussement par rapport à la perpendiculaire à l’axe de révolution (R) passant par le point de rebroussement ; puis, après avoir parcouru l’intégralité de la projection, en réalisant une réduction proportionnelle de la distance entre chaque point du profil ainsi obtenu et l’axe de révolution. Le procédé permet de préparer des préformes fibreuses de pièces axisymétriques présentant en outre des rebroussements. De plus, la définition particulière du profil du mandrin permet d’assurer que la préforme puisse aisément être tissée. En particulier, les changements de diamètre du mandrin peuvent créer des surfaces presque perpendiculaires à la direction longitudinale du mandrin. De telles surfaces sont difficilement tissables, car l’espacement des fils de chaines appelés par le mandrin, devient trop important. Pour fiabiliser le tissage de ces zones, il a été observé que le diamètre du mandrin n’est pas spécifiquement important et que seul compte que les rapports de diamètres soit conservés entre la projection de la préforme et le mandrin de tissage. Ainsi, la réduction proportionnelle de toutes les distances entre les points du profil du mandrin et l’axe de révolution, permet d’adoucir toutes les pentes lorsque le diamètre du mandrin varie et rend possible le tissage de ces zones en diminuant l’angle formé entre le plan des fils de chaine et le plan des fils de trame. Par exemple, la réduction proportionnelle peut être une réduction d’un facteur compris entre 1,1 et 2,5, et de préférence compris entre 1,8 et 2,2, voire est d’un facteur 2. La préforme fibreuse de la pièce est tissée par tissage de contour (ou « contour weaving » selon l’appellation anglaise de cette technique de tissage). La méthode de tissage de contour propose de tisser une pièce sur un mandrin dont le diamètre est variable. Le mandrin est disposé en sortie du métier à tisser et appelle les fils de chaînes, lesquels sont tissés avec les fils de trame disposés dans la direction perpendiculaire, et donc dans la direction de l’axe longitudinal du mandrin. Le tissage de contour permet d’obtenir à la sortie du procédé de tissage, un tissu enroulé autour d’un mandrin de diamètre variable. C’est le choix de la variation de diamètre du mandrin de tissage, aussi appelée profil prédéfini du mandrin dans cette demande, qui permet d’obtenir la pièce souhaitée par la méthode de tissage de contour. Ce choix permet d’obtenir la ou les préformes de pièce de révolution à réaliser. Le tissage permet l’obtention d’un tissu enroulé autour du mandrin, et il est nécessaire au cours d’une étape ultérieure de dérouler la préforme tissée obtenue, et de l’enrouler sur un conformateur reproduisant la géométrie souhaitée pour la pièce finale. Dans un mode de réalisation, le déploiement de la préforme fibreuse sur le conformateur peut être réalisé en enroulant la préforme tissée sur un conformateur. L’épaisseur finale de la préforme souhaitée peut être obtenue en enroulant plusieurs couches successives de préforme sur le conformateur. Lors de cette étape de dévidement du tissu sur le conformateur, il est opéré un retournement des points de la préforme correspondant à des points de rebroussements. Ces rebroussements opérés lors du transfert entre le mandrin et le conformateur peuvent être opérés manuellement, ou au moyen de surfaces d’appel forçant le retournement du tissu, par exemple en présentant une forme vrillée à 180° amenant le tissu à faire un demi-tour sur lui-même aux endroits correspondant aux points de rebroussement. Réaliser l’étape au moyen de surfaces d’appel forçant le retournement du tissu permet d’éviter toute erreur de manipulation et permet ainsi de faciliter le procédé. Une fois la préforme enroulée sur un conformateur, le conformateur peut être refermé par un ou plusieurs contre-moule si nécessaire. Une étape d’infiltration, d’imprégnation ou de densification de la matrice peut alors être réalisée de manière classique, par exemple par injection de la matrice sous pression au travers de la préforme fibreuse ou par densification en voie gazeuse. Dans un mode de réalisation, le rapport entre le plus grand et le plus petit diamètre du mandrin est inférieur ou égale à 2. Les inventeurs ont constaté que cette valeur maximale pour la différence de diamètres permet d’éviter que les vitesses d’appel des fils de chaine au cours du tissage ne soient trop différentes entre deux parties du mandrin et permet de limiter les déséquilibres chaînes / trames des préformes ainsi réalisées. Dans un mode de réalisation, le mandrin comprend plusieurs répétitions du profil prédéfini dans la direction longitudinale du mandrin, le procédé comprenant en outre une étape de découpe ultérieure à l’étape de tissage, de sorte que les préformes issues des parties du mandrin de profils distincts soient séparées avant d’être déployées sur des conformateurs. Dans ce mode de réalisation, la répétition de plusieurs profils dans la direction longitudinale du mandrin permet d’obtenir plusieurs pièces en une seule étape de tissage. Un tel mandrin nécessite une étape de découpe avant la disposition de la préforme fibreuse sur le conformateur afin d’assurer que la préforme correspondant au profil soit séparée de celle qui la suit dans la direction longitudinale du mandrin, de sorte que chacune puisse être disposée sur un conformateur distinct. Dans ce mode de réalisation, l’étape de découpe est une étape de découpe transverse, c’est-à-dire que le tissu est découpé dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale du mandrin. L’étape de découpe peut être réalisée à tout moment entre la fin du tissage et le dépôt de la préforme sur un conformateur. Par exemple, l’étape de découpe peut être réalisée au cours du dévidage du mandrin de tissage, que les préformes soient alors disposées sur des conformateurs ou soient à nouveau enroulées, par exemple sur des rouleaux de transports ou de stockage. Dans un autre exemple, l’étape de découpe peut être réalisée juste avant le dépôt des préformes sur des conformateurs. Une telle étape de découpe peut être assurée par un élément de découpe disposé entre deux préformes de pièces distinctes, par exemple lorsque la préforme est déployée sur le conformateur. Dans un mode de réalisation, entre deux profils différents, le mandrin peut comprendre une zone de séparation, c’est-à-dire une partie du mandrin qui ne correspond pas au profil et qui permet d’assurer la jonction entre les deux profils successifs. Dans ce mode de réalisation, si nécessaire, la bande de tissu correspondant à la zone de séparation pourra être découpée. Dans un mode de réalisation, le mandrin comprend en outre une partie de profil prédéfini permettant l’obtention d’une deuxième pièce ayant une symétrie de révolution par rapport à un axe et sa projection dans un plan (Δ) comprenant l’axe de révolution comprend un ou plusieurs point(s) de rebroussement, le profil prédéfini du mandrin de diamètre variable étant obtenu dans le plan Δ en parcourant la projection depuis l’une de ses extrémités et : en réalisant à chaque point de rebroussement une symétrie de la partie de la projection non encore parcourue par rapport à la perpendiculaire à l’axe de révolution passant par le point de rebroussement ; puis, après avoir parcouru l’intégralité de la projection, en réalisant une réduction proportionnelle de la distance entre chaque point du profil ainsi obtenu et l’axe de révolution ; le procédé comprenant en outre une étape de découpe ultérieure à l’étape de tissage, de sorte que les préformes issues des parties du mandrin de profils distincts soient séparées avant d’être disposées sur des conformateurs. Dans ce mode de réalisation, le mandrin de tissage permet l’obtention de plusieurs préformes correspondant à plusieurs pièces, qui peuvent, par exemple, être séparées entre elles par une étape de découpe avant le déploiement sur des conformateurs. Dans ce mode de réalisation, il peut être avantageux d’avoir sur un même mandrin plusieurs profils permettant la fabrication de préformes qui correspondent à plusieurs parties d’une même pièce finale. De même que précédemment, l’étape de découpe peut être réalisée à tout moment entre la fin du tissage et le déploiement de la préforme sur des conformateurs. Par exemple, dans un procédé de l’invention, il est possible d’utiliser un même mandrin de diamètre variable comprenant un premier profil prédéfini et un deuxième profil prédéfini, les premières et deuxièmes pièces obtenues à partir de la préforme issue du premier profil et celle issue du deuxième profil permettant par réunion de former une chambre de combustion aéronautique. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à seulement deux profils dans la direction longitudinale d’un même mandrin, le nombre de profils pouvant être disposés dans la direction longitudinale d’un même mandrin est choisi en fonction de la taille de chaque préforme et de la largeur du métier à tisser. Par exemple, un mandrin peut comprendre en 2 et 10 profils identiques ou différents dans sa direction longitudinale. Dans un mode de réalisation du procédé, l’étape de tissage est poursuivie après l’obtention d’une première préforme fibreuse sur un mandrin de diamètre variable de sorte que le mandrin de diamètre variable comprenne, à la fin de l’étape de tissage, une pluralité de préformes enroulées autour du mandrin ; et une étape de découpe dans la direction longitudinale est réalisée avant que les préformes ne soient déployées sur des conformateurs. Ce mode de réalisation permet d’obtenir à la fin de l’étape de tissage plusieurs préformes enroulées à la suite les unes des autres sur le même mandrin. C’est-à-dire que la longueur de tissu enroulée sur le mandrin de tissage permet de réaliser plus d’une préforme fibreuse. Par exemple, il est possible d’enrouler entre 2 et 10 fois la longueur de tissu nécessaire à la fabrication d’une préforme autour d’un même mandrin. L’étape de découpe peut être réalisée à tout moment entre la fin de l’étape de tissage et avant le déploiement des préformes sur des conformateurs. Par exemple, l’étape de découpe peut avoir lieu la première fois que le mandrin de tissage est dévidé, que ce soit pour déployer les préformes sur des conformateurs ou pour les enrouler sur des rouleaux de stockage ou de transport. Dans un tel mode de réalisation, lorsque la longueur de tissu correspondant à une unique préforme a été dévidée du mandrin de tissage, une étape de découpe longitudinale est réalisée. Une étape de découpe longitudinale s’entend comme une étape de découpe dans la direction de l’axe de rotation du mandrin. Ce mode de réalisation permet d’améliorer encore davantage les rendements de tissage car un même mandrin peut servir à la fabrication de plusieurs préformes. Ce mode de réalisation est compatible d’un mode de réalisation ou un même mandrin comprend plusieurs profils correspondant à des préformes identiques ou différentes tel que décrit précédemment. Dans ce mode de réalisation, il est possible de laisser, entre deux préformes tissées consécutivement une marge de découpe, c’est-à-dire une bande de tissage qui n’appartient à aucune des deux préformes, par exemple inférieure ou égale à 1 cm, pour assurer que l’étape de découpe ne risque pas de rendre une préforme inutilisable. Dans un mode de réalisation, l’étape de formage peut être réalisée par moulage par transfert de résine ou par consolidation, réalisée par voie liquide ou gazeuse. Dans un mode de réalisation, la pièce est une partie d’une chambre de combustion de turbomachine. Le procédé de l’invention permet en effet la réalisation de partie d’une chambre de combustion en matériaux composites à matrice céramique. Il est particulièrement avantageux de disposer d’une chambre de combustion en matériau composite à matrice céramique. En effet, du fait des contraintes en termes de températures de fonctionnement et d’environnement chimique, les chambres de combustions sont habituellement réalisées en alliage de métal. Il est avantageux de disposer de telles pièces en matériaux composites à matrice céramique pour améliorer la combustion sans dégrader les performances des chambres de combustion. L’invention permet de réaliser une chambre de combustion en matériau composite en utilisant des préformes présentant des symétries de révolution. Par exemple, les préformes peuvent être choisies parmi des fibres de carbure de silicium, des fibres de carbone, des fibres d’alumines, ou des mélanges de telles fibres. La matrice céramique peut être choisie parmi de l’alumine, de la mullite, du pyrocarbone, ou du carbure de silicium. La représente schématiquement les étapes pour obtenir un profil du mandrin obtenu pour une première géométrie de pièce. La représente schématiquement les étapes pour obtenir un profil du mandrin obtenu pour une deuxième géométrie de pièce. La représente schématiquement une étape de déroulage d’une préforme fibreuse depuis un mandrin sur un conformateur. La représente schématiquement une étape de déroulage et découpe de préformes fibreuses depuis un mandrin sur deux conformateurs. La représente schématiquement une étape de disposition d’une préforme sur un conformateur. La représente schématiquement une étape de disposition d’une préforme sur un conformateur. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, la pièce ayant une symétrie de révolution par rapport à un axe (R) et dont la projection (10, 20) dans un plan (Δ) comprenant l’axe de révolution (R) comprend un ou plusieurs point(s) de rebroussement (101, 201, 202), défini comme un point de la projection (10, 20) dont la tangente est perpendiculaire à l’axe de révolution (R) et pour lequel la projection (10, 20) ne traverse pas la tangente, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : une étape de tissage d’une préforme fibreuse (30, 40’, 40’’) par un procédé de tissage de contour et l’enroulement de la préforme fibreuse sur un mandrin de diamètre variable (31, 41) dont une partie a un profil prédéfini (12, 22) ; le déploiement de la préforme fibreuse sur un conformateur (70, 73) à la géométrie de la pièce et comprenant au moins une étape de retournement, pour le ou les endroit(s) de la préforme fibreuse correspondant à des points de rebroussement; une étape de formage de la préforme fibreuse déployée sur le conformateur à la géométrie de la pièce, le profil prédéfini (12, 22) du mandrin de diamètre variable (31, 41) étant obtenu dans le plan (Δ) en parcourant la projection (10, 20) depuis l’une de ses extrémités et : en réalisant à chaque point de rebroussement (101, 201, 202) une symétrie de la partie de la projection (10, 20) au-delà du point de rebroussement par rapport à la perpendiculaire à l’axe de révolution (R) passant par le point de rebroussement ; puis, après avoir parcouru l’intégralité de la projection, en réalisant une réduction proportionnelle de la distance entre chaque point du profil (11, 21) ainsi obtenu et l’axe de révolution. Procédé de fabrication selon la revendication 1 dans lequel le rapport entre le plus grand et le plus petit diamètre du mandrin est inférieur ou égal à 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le mandrin (31, 41) comprend plusieurs répétitions du profil (12, 22) dans la direction longitudinale du mandrin, le procédé comprenant en outre une étape de découpe ultérieure à l’étape de tissage, de sorte que les préformes (40’, 40’’) issues des parties du mandrin de profil distincts soient séparées avant d’être déployées sur des conformateurs. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le mandrin (31, 41) comprend en outre une partie de profil prédéfini (12, 22) permettant l’obtention d’une deuxième pièce ayant une symétrie de révolution par rapport à un axe (R) et sa projection dans un plan comprenant l’axe de révolution (Δ) comprend un ou plusieurs point(s) de rebroussement (101, 201, 202), le profil prédéfini du mandrin de diamètre variable étant obtenu dans le plan (Δ) en parcourant la projection depuis l’une de ses extrémités et : en réalisant à chaque point de rebroussement (101, 201, 202) une symétrie de la partie de la projection non encore parcourue par rapport à la perpendiculaire à l’axe de révolution passant par le point de rebroussement ; puis, après avoir parcouru l’intégralité de la projection, en réalisant une réduction proportionnelle de la distance entre chaque point du profil ainsi obtenu et l’axe de révolution ; le procédé comprenant en outre une étape de découpe ultérieure à l’étape de tissage, de sorte que les préformes (40’, 40’’) issues des parties du mandrin de profils distincts soient séparées avant d’être déployées sur des conformateurs. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape de tissage est poursuivie après l’obtention d’une première préforme fibreuse (30, 40’, 40’’) sur un mandrin de diamètre variable (31, 41) de sorte que le mandrin de diamètre variable comprenne, à la fin de l’étape de tissage, une pluralité de préformes enroulées autour du mandrin ; et dans lequel une étape de découpe dans la direction longitudinale est réalisée avant que les préformes ne soient déployées sur des conformateurs (70, 73). Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape de formage est réalisée par moulage par transfert de résine ou par consolidation, réalisée par voie liquide ou gazeuse. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la pièce est une partie d’une chambre de combustion de turbomachine.