Brevet FR3129318A1 — publié le 20230526

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, le procédé comprenant : la réalisation par tissage tridimensionnel d’une structure fibreuse (600) ; la réalisation par tissage bidimensionnel d’au moins un pli (710, 720, 730, 740) de fibres tissées ; l’intégration sur au moins une zone (610, 620, 630) de la structure fibreuse d’un pli de fibres tissées de manière à former la pièce. Figure pour l'abrégé : Figure 4 PROCÉDÉ DE FABRICATION ET DE RÉPARATION D’UNE PIÈCE EN MATÉRIAU COMPOSITE À MATRICE CÉRAMIQUE La présente invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite à matrice au moins majoritairement en céramique, matériau ci- après désigné par CMC. L’invention concerne plus particulièrement le domaine des turbines à gaz et notamment celui des turbomoteurs pour des aéronefs. Dans les moteurs aéronautiques et en particulier dans les turbines à gaz ou turbomachines de tels moteurs, les pièces soumises à de hautes températures sont depuis longtemps réalisées en alliages métalliques. Les exigences actuelles et futures en matière de réduction de consommation spécifique, diminution de pollution, etc… dans les moteurs aéronautiques engendrent un accroissement de masse significative pour ces derniers. Afin de réduire de façon significative la masse et admettre des températures de fonctionnement plus élevées que celles autorisées avec les alliages métalliques actuels, on utilise de plus en plus des matériaux composites à matrice céramique. En effet, les matériaux composites à matrice céramique, ci- après désigné par CMC, font partie des matériaux composites dits thermostructuraux, c'est-à-dire des matériaux composites ayant des bonnes propriétés mécaniques et une capacité à conserver ces propriétés à température élevée. En outre, des pièces, telles que des aubes, réalisées en CMC présentent un gain de masse significatif par rapport à de mêmes pièces réalisées avec les alliages métalliques habituels. De façon bien connue, les pièces en CMC sont formées par un renfort fibreux en fibres réfractaires (carbone ou céramique) obtenu par tissage tridimensionnel ou multicouche qui est densifié par une matrice céramique, notamment carbure, nitrure, oxyde réfractaire.... Des exemples typiques de matériaux CMC sont les matériaux C-SiC (renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de silicium), les matériaux SiC-SiC et les matériaux C-C/SiC (matrice mixte carbone/carbure de silicium). La fabrication de pièces en composite CMC est bien connue. La densification du renfort fibreux par une matrice céramique est en général réalisée par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur) ou par voie liquide (imprégnation avec un précurseur liquide de céramique et traitement thermique de pyrolyse pour transformer le précurseur en céramique). Des procédés de fabrication d'une aube de turbomachine en CMC sont notamment décrits dans les documents FR 3021349-A1 et FR 3032648-A1. Le document FR 3021349-A1 décrit un procédé de fabrication d’une aube en CMC tissé en trois dimensions et le document FR 3032648-A1 décrit un procédé de fabrication d’une aube en CMC comme assemblage de deux structures tissées en trois dimensions. Toutefois, dans le cas d’une aube obtenue par tissage tridimensionnel de fibres, la rupture d’une fibre dans les deux directions principales de tissage peuvent engendrer une altération locale des propriétés mécaniques et de l’intégrité de la pièce. Ces ruptures ne peuvent être réparées, par exemple par remplacement de la fibre concernée, du fait de la structure en trois dimensions du tissage. Or, en fonctionnement, certaines surfaces de l’aube peuvent présenter des usures liées à des contacts avec leur environnement ou des déchirures liées à des impacts. En effet, de telles usures sont connues sur les aubes en base Nickel et engendrent des altérations dimensionnelles des surfaces. Par conséquent, il est donc probable que des usures similaires engendrent des ruptures de fibres dans le réseau tridimensionnel en surface pour des aubes en matériau CMC. L’invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d’une pièce, notamment une aube de turbomachine en matériau CMC, permettant de réparer des zones de contact ou d’impact de la pièce. À cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, le procédé comprenant : la réalisation par tissage tridimensionnel d’une structure fibreuse ; la réalisation par tissage bidimensionnel d’au moins un pli de fibres tissées ; l’intégration sur au moins une zone de la structure fibreuse d’un pli de fibres tissées de manière à former la pièce. L’invention permet ainsi d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, l’invention permet de fabriquer une pièce, notamment une aube de turbomachine, en matériau CMC comprenant une structure obtenue par « tissage tridimensionnel » et un ou des plis superficiels obtenus par « tissage bidimensionnel » superposés localement à la structure sur des zones de contact ou d’impact de la pièce. En d’autres termes, l’aube ainsi fabriquée est constituée d’un cœur tissé 3D et de plis superficiels 2D sur des zones de contacts ou d’impacts de l’aube. Après fonctionnement, ces plis superficiels, si usés, peuvent être réparés, par exemple retirés et remplacés, sans que la structure de la pièce ne soit endommagée, afin de permettre la poursuite d’exploitation du produit et éviter une couteuse mise au rebut et un remplacement par une pièce neuve, ce qui est impossible avec une structure intégralement tridimensionnelle. Ainsi, ce procédé de fabrication selon l’invention permet de bénéficier des avantages d’un tissage tridimensionnel permettant de disposer de propriétés mécaniques non négligeables dans les trois directions de la matière, ce qui est particulièrement intéressant pour les aubes de turbine, par rapport à un procédé de fabrication classique par assemblage de structures pré-imprégnées tissées en deux dimensions, ne permettant que peu de tenue dans la direction normale aux plis. L’invention s’applique ainsi également de manière générale à toute pièce en matériau CMC sujet à contact et impacts, telle que les aubes fixes ou mobiles mais également des anneaux de turbine. Ce procédé de fabrication permet avantageusement de rendre réparable les zones de contact ou d’impact de l’aube et plus généralement les couches superficielles à condition qu’elles ne soient pas sollicitées par des contraintes fortement tri-directionnelles. L’invention permet ainsi d’améliorer la réparabilité après fonctionnement d’une telle pièce, notamment d’une aube, et donc d’augmenter la rentabilité économique de celle-ci. Le procédé de fabrication selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : le pli de fibres tissées est pré-imprégné d’une matrice en céramique et la structure fibreuse et le pli de fibres tissées sont densifiés simultanément par diffusion de matrice céramique de manière à former la pièce ; l’intégration du pli de fibres tissées comporte le collage du pli de fibres sur la structure fibreuse avec une colle céramique ; le collage comporte le dépôt d’un film de colle de manière continue sur le pli de fibres tissées ; le film de colle est déposé sur le pli de fibres tissées de manière à définir une zone dépourvue de colle à une extrémité du pli de fibres tissées. la réalisation de la structure fibreuse comporte le tissage tridimensionnel d’une préforme fibreuse, le conformage de la préforme fibreuse dans un moule, et la densification de la préforme fibreuse par diffusion d’une matrice céramique dans le moule de manière à former la structure fibreuse ; la pièce en matériau composite à matrice céramique est une aube mobile ou une aube fixe ou un anneau de turbine. L’invention concerne également une aube en matériau composite à matrice céramique pour une turbomachine, notamment d’aéronef, réalisée par un procédé de fabrication selon l’invention, et comprenant un pied et une pale s'étendant longitudinalement à partir du pied jusqu’à une plateforme extérieure formant talon, et dans laquelle au moins un pli de fibres tissées en deux dimensions est agencé sur une zone d’une structure fibreuse de l’aube parmi une zone de portée du pied, une zone du talon ou une zone de pale, la structure fibreuse étant tissée en trois dimensions. Avantageusement, une telle aube est réparable par retrait du ou des plis de fibres tissées usé(s) ou abimé(s). Lors de l’opération de retrait, les fibres tissées en trois dimensions ne sont pas endommagées. De préférence, l’aube est une aube fixe ou mobile pour turbine de la turbomachine. L’invention concerne également une roue de turbine de turbomachine comprenant de telles aubes fabriquées par un procédé de fabrication selon l’invention. L'invention concerne également un anneau de turbine de turbomachine comprenant de telles aubes fabriquées par un procédé de fabrication selon l’invention. Un autre objet de l’invention concerne une turbomachine comprenant au moins une roue ou anneau de turbine selon l’invention. L’invention concerne également un procédé de réparation d’une pièce en matériau composite à matrice céramique pour une turbomachine, la pièce étant une aube en matériau composite à matrice céramique pour une turbomachine selon l’invention et telle que décrite précédemment ou un anneau de turbine selon l’invention et tel que décrit précédemment, le procédé comprenant : le retrait d’un pli de fibres tissées sur une zone de l’aube ; l’intégration d’un autre pli de fibres tissées non densifié sur la zone de l’aube. Selon un mode de réalisation, le retrait comporte l’arrachement du pli de fibres tissées. Alternativement, dans le cas où le pli de fibres tissées et la structure fibreuse sont en matériaux différents, le retrait du pli de fibres tissées est réalisé par attaque chimique sélective du pli de fibres tissées. La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la est un ordinogramme d’un mode de réalisation d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique selon l’invention ; la est un ordinogramme d’un autre mode de réalisation d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau CMC selon l’invention ; la représente une aube selon l’invention, la illustre schématiquement une structure fibreuse et des plis de fibres tissées en deux dimensions avant assemblage pour former l’aube de la ; la illustre une vue tridimensionnelle et partiellement en coupe d’un pied de l’aube de la ; la illustre une vue de dessus d’un talon de l’aube de la ; et la est un ordinogramme d’un procédé de réparation selon l’invention d’une pièce en matériau CMC fabriqué selon un procédé de fabrication selon l’invention. Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, le procédé comprenant : la réalisation (100) par tissage tridimensionnel d’une structure fibreuse (600) ; la réalisation (200) par tissage bidimensionnel d’au moins un pli (710, 720, 730, 740) de fibres tissées ; l’intégration (300 ; 400) sur au moins une zone (610, 620, 630) de la structure fibreuse (600) d’un pli de fibres tissées de manière à former la pièce. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le pli de fibres tissées (710, 720, 730, 740) est pré-imprégné d’une matrice en céramique et la structure fibreuse (600) et le pli de fibres tissées sont densifiés (340) simultanément par diffusion de matrice céramique de manière à former la pièce. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l’intégration (400) du pli de fibres tissées comporte le collage du pli de fibres sur la structure fibreuse avec une colle céramique. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel le collage comporte le dépôt (410) d’un film de colle de manière continue sur le pli de fibres tissées. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel le collage comporte le dépôt (410) d’un film de colle de manière discontinue, en une pluralité de portions, sur le pli de fibres tissées. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 4 ou 5, dans lequel le film de colle est déposé sur le pli de fibres tissées de manière à définir une zone dépourvue de colle à une extrémité du pli de fibres tissées. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la réalisation (100) de la structure fibreuse (600) comporte : le tissage tridimensionnel (110) d’une préforme fibreuse ; le conformage (120) de la préforme fibreuse dans un moule ; la densification (130) de la préforme fibreuse par diffusion d’une matrice céramique dans le moule de manière à former la structure fibreuse (600). Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pièce en matériau composite à matrice céramique est une aube mobile ou une aube fixe ou un anneau de turbine. Aube (500) en matériau composite à matrice céramique pour une turbomachine, notamment d’aéronef, réalisée par un procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, et comprenant un pied (510) et une pale (502) s'étendant longitudinalement à partir du pied (510) jusqu’à une plateforme extérieure formant talon (516), et dans laquelle au moins un pli de fibres tissées en deux dimensions (710, 720, 730, 740) est agencé sur une zone d’une structure fibreuse (600) de l’aube parmi une zone (610) de portée du pied, une zone (630) du talon ou une zone (620) de pale, la structure fibreuse (600) étant tissée en trois dimensions. Aube selon la revendication précédente, dans laquelle l’aube est une aube pour turbine de la turbomachine. Anneau de turbine pour turbomachine comprenant au moins une aube en matériau composite à matrice céramique selon la revendication 9 ou 10. Procédé de réparation d’une pièce en matériau composite à matrice céramique pour une turbomachine, la pièce étant une aube en matériau composite à matrice céramique pour une turbomachine selon l’une des revendications précédentes 9 ou 10 ou un anneau de turbine selon la revendication 11, le procédé comprenant : le retrait (710) d’un pli de fibres tissées sur une zone de l’aube ; l’intégration (720) d’un autre pli de fibres tissées non densifié sur la zone de l’aube. Procédé de réparation selon la revendication précédente 12, dans lequel le retrait (710) comporte l’arrachement du pli de fibres tissées. Procédé de réparation selon la revendication précédente 12, dans lequel le pli de fibres tissées et la structure fibreuse sont en matériaux différents et le retrait du pli de fibres tissées est réalisé par attaque chimique sélective du pli de fibres tissées.