Brevet FR3130272A1 — publié le 20230616

Procédé de fabrication d’une pièce en CMC, permettant de mieux contrôler l’étape de densification de la pièce, comprenant les étapes de : fourniture d’une pièce intermédiaire (30) comprenant un renfort et une matrice, comportant un matériau céramique, la pièce intermédiaire (30) comprenant au moins une zone de travail (33i) destinée, une fois la pièce finalisée, à être en contact avec un fluide de travail d’une turbomachine, et au moins une zone hors-travail (34, 35) destinée, une fois la pièce finalisée, à ne pas être en contact avec le fluide de travail de la turbomachine; densification de la pièce intermédiaire (30) par pénétration de silicium liquide (23) dans la pièce intermédiaire (30) ; et refroidissement de la pièce intermédiaire (30) à l’issue de l’étape de densification, dans lequel, au cours de l’étape de refroidissement, la température de ladite zone hors-travail (34, 35) est maintenue supérieure à la température de ladite zone de travail (33i). Fig. 7. Procédé de fabrication d’une pièce en CMC Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce en CMC, c’est-à-dire en matériau composite à matrice céramique permettant de mieux contrôler l’étape de densification de la pièce. Il concerne également une pièce en CMC obtenue par ce procédé. Un tel procédé de fabrication peut notamment être utilisé dans le domaine de l’aéronautique afin de fabriquer des pièces capables de résister à de hautes températures. Il peut notamment s’agir de secteurs d’un organe cylindrique d’une turbomachine, telle qu’un turboréacteur d’aéronef, et tout particulièrement de secteurs d’anneau de turbine, pour ne citer que ces exemples. Certaines pièces d’une turbomachine sont exposées à des températures particulièrement élevées. Cela est notamment le cas des pièces formant la ou les turbines de la turbomachine, par exemple les secteurs des anneaux permettant de réaliser la veine externe de la turbine. Afin de résister à ces très fortes températures, les secteurs d’anneau sont réalisés en CMC. Dans un procédé de fabrication typique de ce type de pièce, une préforme est tissée à l’aide de fibres céramiques, par exemple en carbure de silicium (SiC). Cette préforme est ensuite mise en forme dans un conformateur puis une interphase est déposée à la surface des fibres céramique, par procédé CVI par exemple (Chemical Vapor Infiltration). Dans un second temps une barbotine comprenant des particules céramiques, par exemple de SiC, en suspension dans un solvant, est injectée dans la préforme; une fois le solvant éliminé par séchage, les particules céramiques ainsi déposées subissent un traitement thermique qui permet d’obtenir une pièce intermédiaire possédant une certaine porosité. Une étape de densification est alors réalisée par infiltration puis solidification d’un matériau de densification liquide, en général du silicium liquide, dans la pièce intermédiaire. Toutefois, le silicium étant plus dense à l’état solide qu’à l’état liquide, son refroidissement et sa solidification entraîne la sortie d’une partie du silicium liquide sous la forme de gouttes se solidifiant en surface de la pièce, formant ainsi des nodules de silicium solide. Ces nodules engendrent alors d’importantes difficultés puisqu’ils modifient les côtes de la pièce au-delà des tolérances et dégradent l’adhésion d’un éventuel revêtement de surface déposé par la suite. De plus, le retrait de ces nodules par sablage ou usinage est lent, laborieux, et donc coûteux ; il peut en outre affecter la santé matière de la pièce finale. En conséquence, afin de lutter contre l’apparition de tels nodules, certaines solutions ont été envisagées. L’une d’entre elle vise à modifier la composition du matériau de densification ou de la barbotine céramique, par exemple par adjonction de particules de diamant, sources de carbone qui vont consommer le silicium excédentaire pour former du SiC. Toutefois, il n’est pas toujours possible ou souhaitable de modifier de la sorte la composition de la barbotine. Une autre option consiste à prévoir une couche sacrificielle de barbotine céramique tout autour de la pièce intermédiaire afin de protéger la pièce finale, et en particulier son renfort, lors du sablage ou de l’usinage des nodules. Toutefois, naturellement, une telle option entraîne une surconsommation importante de matières premières et nécessite un usinage complet de la pièce finale, long et fastidieux. Une autre option, plus originale, a été récemment proposée dans la demande de brevet français FR 20 12373 : il s’agit de prévoir des inserts dans la pièce intermédiaire, par exemple sous la forme de fils, conduisant à créer des voies de migrations privilégiées pour le silicium au cours du refroidissement, ces inserts étant alors positionnés de manière à conduire le silicium hors des zones de travail de la pièce. Cette solution fonctionne bien mais nécessite de modifier la configuration de la pièce intermédiaire. Il existe donc un réel besoin pour un procédé de fabrication d’une pièce en CMC permettant de mieux contrôler l’étape de densification de la pièce et qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux méthodes connues précitées. Le présent exposé concerne Procédé de fabrication d’une pièce composite CMC, comprenant les étapes de : - fourniture d’une pièce intermédiaire comprenant un renfort et une matrice, comportant un matériau céramique, la pièce intermédiaire comprenant au moins une zone de travail destinée, une fois la pièce finalisée, à être en contact avec un fluide de travail d’une turbomachine, et au moins une zone hors-travail destinée, une fois la pièce finalisée, à ne pas être en contact avec le fluide de travail de la turbomachine; - densification de la pièce intermédiaire par pénétration de silicium liquide dans la pièce intermédiaire ; et - refroidissement de la pièce intermédiaire à l’issue de l’étape de densification, dans lequel, au cours de l’étape de refroidissement, la température de ladite zone hors-travail est maintenue supérieure à la température de ladite zone de travail. Ainsi, grâce à un tel refroidissement contrôlé, les zones de travail refroidissent plus rapidement que les zones hors-travail, ce qui permet au silicium de commencer à se solidifier dans les zones de travail alors que le silicium reste liquide ou en tout cas plus mobile dans les zones hors-travail. L’excédent de silicium liquide est alors repoussé vers les zones hors-travail encore chaudes : c’est donc dans ces zones qu’apparaitront de manière préférentielle les nodules de silicium. En conséquence, en contrôlant le refroidissement de la pièce, il est possible de contrôler la disposition des nodules, à défaut de chercher nécessairement à empêcher leur formation. Dès lors, il sera possible de regrouper les nodules dans des zones peu sensibles de la pièce finale, c’est-à-dire des zones pouvant être usinées facilement, sans impact sensible sur le fonctionnement de la pièce, voire des zones dans lesquelles les tolérances sont plus importantes et autorisent la présence de tels nodules sans qu’il soit nécessaire de procéder à un usinage ou à un sablage. Le coût et le temps de cycle du procédé de fabrication peuvent donc être réduits. De cette manière, les surfaces de travail de la pièce, c’est-à-dire celles exposées aux plus fortes températures et susceptibles par ailleurs de recevoir des revêtements, peuvent être obtenue sans, ou pratiquement sans, aucun nodule de taille notable. La nécessité de recourir à un sablage ou à un usinage de ces zones particulièrement sensibles est donc fortement réduite Ainsi, cette solution laisse le procédé de densification inchangé et ne nécessite en particulier aucun ajustement de composition de matériau et aucune modification de la pièce intermédiaire. De plus, la tenue de la pièce finale, ainsi que de ses éventuels revêtements, est ainsi améliorée. Dans certains modes de réalisation, au cours de l’étape de refroidissement, un gradient de température est généré entre ladite zone hors-travail et ladite zone de travail par échauffement ou refroidissement actif local. Dans certains modes de réalisation, ledit gradient de température est généré par un apport local d’énergie, de préférence par un système de chauffage résistif. Dans certains modes de réalisation, ledit gradient de température est généré par une consommation locale d’énergie, de préférence par une circulation de fluide de refroidissement. Il peut notamment s’agir d’une circulation de gaz, par exemple du gaz neutre comme de l’argon ou du diazote. Dans certains modes de réalisation, au cours de l’étape de refroidissement, au moins une masse thermique externe à la pièce intermédiaire est positionnée à proximité de ladite zone hors-travail, cette masse thermique possédant une effusivité comprise entre 1 000 et 100 000 J.K - 1 .m - 2 .s - 1/2 , de préférence comprise entre 5 000 et 50 000 J.K - 1 .m - 2 .s - 1/2 . Par « à proximité de ladite zone hors-travail », on entend plus près de cette dernière que de la zone de travail. Plusieurs masses thermiques de ce type peuvent être utilisées simultanément afin de contrôler plus précisément le refroidissement. Une telle masse thermique reste, grâce à son inertie thermique, plus chaude que l’ensemble de l’enceinte lorsque la température de l’enceinte commence à décroitre au cours de l’étape de refroidissement : sa présence à proximité de la zone hors-travail contribue alors à retarder le refroidissement de la zone hors-travail. Dans certains modes de réalisation, ladite masse thermique est réalisée en graphite. Le graphite possède une effusivité de l’ordre de 13 000 J.K - 1 .m - 2 .s - 1/2 . Dans certains modes de réalisation, ladite masse thermique est réalisée en CMC. Le CMC possède une effusivité de l’ordre de 5000 J.K - 1 .m - 2 .s - 1/2 . Dans certains modes de réalisation, la distance séparant ladite masse thermique de ladite zone hors-travail est comprise entre 1 et 50 mm, de préférence entre 5 et 20 mm, de préférence encore égale à 5 mm. Dans certains modes de réalisation, ladite masse thermique possède une fonction secondaire distincte de sa fonction thermique. Dans certains modes de réalisation, ladite masse thermique est une portion d’un outillage de maintien de la pièce intermédiaire. Dans certains modes de réalisation, ladite masse thermique est une portion d’un plateau de chargement. Dans certains modes de réalisation, ladite masse thermique est une portion d’un creuset contenant le silicium liquide. Dans certains modes de réalisation, ladite masse thermique est une portion d’une autre pièce intermédiaire en cours de densification ou de refroidissement. Dans certains modes de réalisation, ladite zone hors-travail de la pièce intermédiaire est disposée en vis-à-vis d’une zone hors-travail de ladite autre pièce intermédiaire. Par exemple, lorsque les pièces intermédiaires sont des secteurs d’anneau, de turbine notamment, leurs baignoires peuvent être disposées en vis-à-vis. Dans certains modes de réalisation, la pièce intermédiaire est du type anneau de turbine. En particulier, il peut s’agir d’un secteur d’anneau de turbine. Plus généralement, la pièce intermédiaire comprend une partie de veine et au moins une partie de fixation, prenant par exemple la forme d’une ou de plusieurs brides. La pièce intermédiaire peut également comprendre un ou plusieurs becquets. La partie de veine constitue alors une zone de travail tandis que les brides et les becquets constituent des zones hors-travail. Dans certains modes de réalisation, l’étape de refroidissement comprend au moins, ou consiste en, une rampe de refroidissement. Dans certains modes de réalisation, l’étape de refroidissement débute à une température initiale comprise entre 1000 et 1500°C, de préférence comprise entre 1400 et 1500°C. Il s’agit là de la température imposée à l’enceinte : elle est de préférence uniforme sans que cela interdise des différences de température entre différentes zones de la pièce intermédiaire en raison des mécanismes de contrôle présentés ci-avant. Dans certains modes de réalisation, la rampe de refroidissement perdure jusqu’à une température comprise entre 1250 et 1350 °C, de préférence jusqu’à 1250°C. Dans certains modes de réalisation, la vitesse de refroidissement de la rampe de refroidissement est comprise entre 200 et 1000°C/h, de préférence entre 400 et 1000°C/h, de préférence encore égale à 600°C/h. Dans certains modes de réalisation, le renfort est une préforme tissée, de préférence tissée 3D, réalisée en carbure de silicium. Le tissage 3D permet notamment d’obtenir des renforts fibreux possédant des géométries complexes en un seul tenant, assurant ainsi une très bonne tenue mécanique à la pièce finale. Dans certains modes de réalisation, le renfort est réalisé en matériau céramique, de préférence en carbure de silicium (SiC). Toutefois, n’importe quel type de fibre céramique pourrait également être utilisé et notamment des fibres de carbone ou bien encore un mélange de fibres. Dans certains modes de réalisation, la matrice est réalisée en carbure de silicium (SiC). Toutefois, n’importe quel type de poudre céramique pourrait également être utilisée et notamment les céramique, non oxydes, réfractaires ou ultra réfractaires, à base de Si, Ti, Zr, HF, C ou N telle que du C, B 4 C, TiC, ZrC, ou encore TiSi 2 . Le présent exposé concerne également une pièce en matériau composite CMC, obtenue par un procédé de fabrication selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. Il peut notamment s’agir d’une pièce de turbine, un secteur d’anneau ou une aube par exemple. Le présent exposé concerne également une turbomachine, comprenant une pièce en matériau composite CMC selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l’air dans la turbomachine. On entend par « tissage tridimensionnel » une technique de tissage dans laquelle des fils de trame circulent au sein d’une matrice de fils de chaîne de manière à former un réseau tridimensionnel de fils selon une armure tridimensionnelle : toutes les couches de fils d’une telle structure fibreuse sont alors tissées au cours d’une même étape de tissage au sein d’un métier à tisser tridimensionnel. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la pièce intermédiaire et du procédé proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc. La est une vue en coupe axiale d’une turbomachine. La est une vue en coupe radiale d’un anneau de turbomachine. La est une vue en perspective d’un secteur d’anneau. La représente un exemple de procédé de fabrication. La est une vue de face d’un outillage de maintien utilisé dans un premier exemple de procédé. La est une vue de la pièce intermédiaire montée sur l’outillage de la . La représente l’installation mise en œuvre au cours des étapes de densification et de refroidissement du premier exemple de procédé. La illustre le champ de température dans le secteur d’anneau dans le cadre de ce premier exemple de procédé. La est une photographie de la face arrière du secteur d’anneau à l’issue du refroidissement dans le cadre de ce premier exemple de procédé. La est une photographie de la face avant du secteur d’anneau à l’issue du refroidissement dans le cadre de ce premier exemple de procédé. La est une vue de face d’un outillage de maintien utilisé dans un exemple comparatif de procédé. [ La est une vue de la pièce intermédiaire montée sur l’outillage de la . La représente l’installation mise en œuvre au cours des étapes de densification étapes de densification et de refroidissement de l’exemple comparatif de procédé. La illustre le champ de température dans le secteur d’anneau dans le cadre de cet exemple comparatif de procédé. La est une photographie de la face avant du secteur d’anneau à l’issue du refroidissement dans le cadre de cet exemple comparatif de procédé. La représente l’étape de refroidissement d’un deuxième exemple de procédé. La représente l’étape de refroidissement d’un troisième exemple de procédé. Procédé de fabrication d’une pièce composite CMC, comprenant les étapes de : - fourniture d’une pièce intermédiaire (30) comprenant un renfort et une matrice, comportant un matériau céramique, la pièce intermédiaire (30) comprenant au moins une zone de travail (33i) destinée, une fois la pièce (61) finalisée, à être en contact avec un fluide de travail d’une turbomachine, et au moins une zone hors-travail (34, 35) destinée, une fois la pièce -61) finalisée, à ne pas être en contact avec le fluide de travail de la turbomachine; - densification (E6) de la pièce intermédiaire (30) par pénétration de silicium liquide dans la pièce intermédiaire (30) ; et - refroidissement (E7) de la pièce intermédiaire (30) à l’issue de l’étape de densification (E6), dans lequel, au cours de l’étape de refroidissement (E7), la température de ladite zone hors-travail (34, 35) est maintenue supérieure à la température de ladite zone de travail (33i). Procédé selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l’étape de refroidissement (E7), un gradient de température est généré entre ladite zone hors-travail (134) et ladite zone de travail (133) par échauffement ou refroidissement actif local (184). Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, au cours de l’étape de refroidissement (E7), au moins une masse thermique (70) externe à la pièce intermédiaire (30) est positionnée à proximité de ladite zone hors-travail (34, 35), cette masse thermique (70) possédant une effusivité comprise entre 1 000 et 100 000 J.K- 1 .m -2 .s -1/2 , de préférence comprise entre 5 000 et 50 000 J.K - 1 .m -2 .s -1/2 . Procédé selon la revendication 3, dans lequel la distance séparant ladite masse thermique (70) de ladite zone hors-travail (34, 35) est comprise entre 1 et 50 mm, de préférence entre 5 et 20 mm, de préférence encore égale à 5 mm. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ladite masse thermique est une portion d’un outillage de maintien (70) de la pièce intermédiaire (30). Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ladite masse thermique est une portion (282a) d’un creuset (282) contenant le silicium liquide. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ladite masse thermique est une portion (34’, 35’) d’une autre pièce intermédiaire (30’) en cours de densification ou de refroidissement, et dans lequel ladite zone hors-travail (34, 35) de la pièce intermédiaire (30) est disposée en vis-à-vis d’une zone hors-travail (34’, 35’) de ladite autre pièce intermédiaire (30’). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape de refroidissement (E7) comprend au moins, ou consiste en, une rampe de refroidissement, dans lequel l’étape de refroidissement (E7) débute à une température initiale comprise entre 1000 et 1500°C, de préférence comprise entre 1400 et 1500°C, dans lequel la rampe de refroidissement perdure jusqu’à une température comprise entre 1250 et 1350 °C, de préférence jusqu’à 1250°C, et dans lequel la vitesse de refroidissement de la rampe de refroidissement est comprise entre 200 et 1000°C/h, de préférence entre 400et 1000°C/h, de préférence encore égale à 600°C/h. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le renfort est une préforme tissée (10’), de préférence tissée 3D, réalisée en carbure de silicium, et dans lequel la matrice est réalisée en carbure de silicium. Pièce en matériau composite CMC, obtenue par un procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 9. Turbomachine, comprenant une pièce en matériau composite CMC (61) selon la revendication 10.