Brevet FR3150803A1 — publié le 20250110

Pièce en matériau composite La présente invention concerne une pièce (1) en matériau composite comprenant un renfort fibreux en fils (3) en céramique ou en carbone, une matrice (5) en céramique et une interphase (7) recouvrant les fils et située entre ces derniers et la matrice, la pièce étant caractérisée en ce que l’interphase comprend une première couche (71) de nitrure de bore amorphe en contact avec les fils et une deuxième couche (72) de nitrure de bore cristallin recouvrant la première couche. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Pièce en matériau composite Le présent exposé concerne une pièce en matériau composite à matrice céramique (« Ceramic Matrix Composite » ; « CMC »), par exemple à matrice de carbure de silicium, ayant une tolérance aux dommages améliorée, ainsi que des procédés de fabrication associés. Les matériaux composites à matrice céramique supportent des températures allant de 600°C à 1400°C. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les CMC nécessitent moins de refroidissement. Ce refroidissement étant traditionnellement issu d’un prélèvement dans le compresseur qui impacte le rendement de la turbomachine, les matériaux CMC permettent donc d’améliorer le rendement moteur ce qui réduit la consommation de carburant. Par ailleurs, leur utilisation contribue à optimiser les performances des turbomachines notamment par la baisse de la masse globale de la turbomachine qui contribue encore à une diminution de la consommation de carburant et donc à la réduction significative des émissions polluantes. Les pièces en CMC peuvent être fabriquées par formation d’une matrice de pré-densification en carbure de silicium dans la porosité d’une préforme fibreuse, suivie d’une introduction de particules de carbure de silicium et d’une siliciuration. Cette méthode permet d’obtenir une matrice Si-SiC totalement dense de haut module et un composite à haute limite de linéarité. Dans la gamme évoquée, les fils sont initialement recouverts d’une interphase de nitrure de bore amorphe qui joue le rôle de fusible mécanique, principalement au moyen d’une déliaison fibre/BN permettant la consommation de l’énergie de fissuration et la déviation des fissures de la matrice pour éviter qu’elles n’atteignent le renfort fibreux. Cependant, le comportement à rupture (allongement à rupture) des pièces obtenues par cette gamme peut être variable, diminuant ainsi la zone de tolérance aux dommages du matériau. La présente invention concerne une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux en fils en céramique ou en carbone, une matrice en céramique et une interphase recouvrant les fils et située entre ces derniers et la matrice, la pièce étant caractérisée en ce que l’interphase comprend une première couche de nitrure de bore (BN) amorphe en contact avec les fils et une deuxième couche de nitrure de bore cristallin recouvrant la première couche. Les inventeurs ont constaté que la variabilité de comportement mécanique observée était liée au fonctionnement de l’interphase entre les fibres et la matrice. La présence d’une couche amorphe de BN au contact des fibres permet d’obtenir une liaison forte sur cette interface participant à l’obtention des propriétés mécaniques souhaitées pour la pièce en évitant ainsi que la déliaison ne se déclenche trop tôt et n’abaisse le niveau de contrainte à rupture du composite. La présence de la deuxième couche permet, quant à elle, de réduire le risque de rupture fragile en venant diminuer la force de la liaison fibre/matrice par rapport à l’emploi d’une interphase BN totalement amorphe comme dans l’art antérieur. L’invention est ainsi remarquable en ce qu’elle comprend une couche de BN cristallin qui forme des interfaces à liaison plus faible et permet d’augmenter le potentiel de déviation des fissures avant qu’elles n’atteignent le renfort fibreux, ce qui permet de réduire la variabilité du comportement à rupture observée. Le BN présente en outre l’avantage de s’oxyder pour former un oxyde liquide B 2 O 3 qui fait office de barrière de diffusion vis-à-vis de l’oxygène, empêchant l’atmosphère environnante d’affecter le renfort fibreux. Dans un exemple de la réalisation, la deuxième couche de nitrure de bore cristallin a une épaisseur locale comprise entre 20 nm et 50 nm. Une telle caractéristique permet avantageusement de favoriser davantage encore la déviation des fissures sans trop complexifier la gamme de fabrication puisque la couche de BN cristallisé garde une épaisseur réduite, associée à une durée de dépôt limitée. Dans un exemple de réalisation, la deuxième couche de nitrure de bore cristallin est située à une distance des fils ne dépassant pas 100 nm. Une telle caractéristique est avantageuse car la deuxième couche de BN cristallin n’est pas trop éloignée des fils de sorte qu’elle permet de recouvrir ces derniers de manière relativement unitaire, et augmente ainsi davantage encore la protection du renfort contre les fissures. Dans un exemple de réalisation, la première couche de nitrure de bore amorphe a une épaisseur locale supérieure ou égale à 50 nm. Une telle caractéristique permet d’améliorer davantage encore la protection des fibres en cas de fissure au niveau de la deuxième couche en garantissant la présence d’une couche relativement épaisse de BN amorphe entre les fibres et la deuxième couche. Dans un exemple de réalisation, l’interphase comprend en outre une troisième couche de nitrure de bore amorphe recouvrant la deuxième couche et en contact avec la matrice. Dans ce cas, la couche de BN cristallin est intercalée entre les couches de BN amorphe. Cela permet d’éviter tout risque que la déliaison ne se produise à l’interface interphase/matrice et de garantir qu’elle se produise systématiquement dans la couche de BN cristallin. Dans un exemple de réalisation, le renfort fibreux présente un tissage tridimensionnel. Une telle caractéristique permet d’améliorer davantage encore les propriétés mécaniques de la pièce en utilisant un renfort indélaminable. Dans un exemple de réalisation, les fils sont en carbure de silicium et au moins une partie de la matrice en contact avec l’interphase est en carbure de silicium. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce telle que décrite plus haut, comprenant : - le revêtement des fils par les première, deuxième et éventuellement troisième couches de l’interphase par dépôt chimique en phase vapeur, - la réalisation d’une préforme fibreuse formant le renfort fibreux de la pièce à obtenir à partir des fils ainsi revêtus comprenant la formation d’une ébauche fibreuse par mise en œuvre d’une ou plusieurs opérations textiles, et la mise en forme de cette ébauche, et - la formation de la matrice dans la porosité de la préforme fibreuse. Ce cas correspond à un dépôt de l’interphase sur les fils avant formation de la préforme fibreuse. En particulier, le revêtement des fils par l’interphase peut être réalisé alors que ces derniers sont transportés au travers d’une chambre de traitement. En variante, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce telle que décrite plus haut, comprenant : - la réalisation d’une préforme fibreuse formant le renfort fibreux de la pièce à obtenir comprenant la formation d’une ébauche fibreuse par mise en œuvre d’une ou plusieurs opérations textiles, et la mise en forme de cette ébauche, - le revêtement des fils dans la préforme fibreuse ainsi réalisée par les première, deuxième et éventuellement troisième couches de l’interphase par infiltration chimique en phase vapeur, et - la formation de la matrice dans la porosité de la préforme fibreuse comprenant les fils ainsi revêtus. Ce cas correspond à un dépôt de l’interphase dans la porosité de la préforme fibreuse déjà constituée. Brève description des dessins La représente, de manière schématique et partielle, un exemple de pièce en matériau composite selon l’invention. La représente une succession d’étapes d’un premier exemple de procédé de fabrication de la pièce de la . La représente, de manière schématique et partielle, un exemple de dispositif pour former l’interphase pouvant être utilisé dans le cadre du procédé de la . La représente une succession d’étapes d’un deuxième exemple de procédé de fabrication de la pièce de la . L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière. La pièce 1 illustrée à la comprend un renfort fibreux en fils 3 en céramique ou en carbone, une matrice 5 en céramique qui densifie le renfort et une interphase 7 intercalée entre les fils 3 et la matrice 5. Une surface interne S71 de l’interphase 7 est au contact des fils 3, et une surface externe S73, opposée à la surface interne S71, est au contact de la matrice 5. Les fils 3 peuvent être en carbure de silicium. Des exemples de fils en carbure de silicium utilisables peuvent être des fils commercialisés sous la référence « Nicalon », « Hi-Nicalon », « Hi-Nicalon-S » ou Tyranno SA3 de la société UBE Industries. Les fils céramiques peuvent présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Les fils « Hi-Nicalon-S », par exemple, présentent une telle caractéristique. Différentes opérations textiles peuvent être mises en œuvre pour former le renfort, comme cela sera décrit plus bas. L’interphase 7 a une fonction de défragilisation et joue un rôle de fusible mécanique en permettant de dévier les fissures se propageant en direction des fils 3 et améliore ainsi la durée de vie du matériau. L’interphase 7 a, dans l’invention, une structure multicouche et comprend une première couche 71 de nitrure de bore amorphe en contact avec les fils 3 (définissant la surface interne S71) et une deuxième couche 72 de nitrure de bore cristallin recouvrant la première couche 71 ici au contact de celle-ci. L’exemple illustré comprend en outre une troisième couche 73 de nitrure de bore amorphe recouvrant la deuxième couche 72 ici au contact de celle-ci et en contact avec la matrice 5 (définissant ici la surface externe S73). La deuxième couche 72 est ici intercalée entre les première 71 et troisième 73 couches. La deuxième couche 72 introduit une hétérogénéité de microstructure (BN cristallin) par rapport au reste de l’interphase qui est amorphe. Cette zone singulière constitue le fusible mécanique. D’une manière générale, le caractère amorphe ou cristallin du nitrure de bore peut être mis en évidence, dans le composite, par microscopie électronique à balayage (MEB) ou microscopie électronique en transmission (MET) en mettant en œuvre des techniques connues de la personne du métier. On peut également utiliser la diffraction des rayons X pour évaluer si une couche de BN déposée isolément (ne faisant pas partie d’un matériau composite) est amorphe ou cristalline. Le caractère amorphe ou cristallin du nitrure de bore est par exemple déterminé en fonction de la longueur de cohérence. Une longueur de cohérence inférieure ou égale à 3 nm indique un nitrure de bore amorphe, tandis qu’une longueur de cohérence supérieure à 3 nm indique un nitrure de bore cristallin. L’épaisseur locale e71 de la première couche 71 peut être supérieure ou égale à 25 nm, par exemple être comprise entre 25 nm et 500 nm, de préférence entre 50 nm et 150 nm. L’épaisseur locale e72 de la deuxième couche 72 peut être supérieure ou égale à 20 nm ou inférieure ou égale à 50 nm et par exemple être comprise entre 20 nm et 50 nm. La deuxième couche 72 peut être située à une distance d des fils 3 inférieure ou égale à 100 nm, par exemple comprise entre 50 nm et 100 nm. L’épaisseur locale e73 de la troisième couche 73 peut être supérieure ou égale à 25 nm, par exemple comprise entre 25 nm et 500 nm, de préférence entre 50 nm et 150 nm. D’une manière générale, l’épaisseur locale des couches d’interphase ou les distances entre les constituants de la pièce peuvent être mesurées par microscopie électronique à balayage (MEB) ou microscopie électronique en transmission (MET) en mettant en œuvre des techniques connues de la personne du métier. Les techniques de dépôts en phase vapeur (dépôt chimique en phase vapeur ou infiltration chimique en phase vapeur) permettent d’obtenir une couche d’épaisseur uniforme sur une section transversale d’un fil. Sauf mention contraire, la section transversale d’un fil est prise perpendiculairement à sa longueur. Les valeurs d’épaisseur locale décrites plus haut peuvent être vérifiées sur au moins une section transversale de tout ou partie des fils. Selon un exemple possible, la matrice 5 peut comprendre une première partie en carbure de silicium en contact avec l’interphase, ici en contact avec la troisième couche 73, et une deuxième partie recouvrant cette troisième partie en Si-SiC résultant d’une siliciuration. Un exemple de structure possible pour une pièce 1 selon l’invention vient d’être décrit. La suite fournit des détails relatifs à la fabrication de celle-ci. Les figures 2 et 3 qui vont, à présent, être décrites concernent le cas où la préforme est obtenue après formation de l’interphase 7 sur les fils 3. Dans l’exemple de la , on peut réaliser successivement : - le revêtement des fils 3 par les première 71, deuxième 72 et troisième 73 couches de l’interphase 7 par dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Deposition » ; « CVD »), ce revêtement étant réalisé alors que les fils 3 sont transportés en continu au travers d’une chambre de traitement (étape E10), - la réalisation d’une préforme fibreuse formant le renfort fibreux de la pièce à obtenir à partir des fils ainsi revêtus comprenant la formation d’une ébauche fibreuse par mise en œuvre d’une ou plusieurs opérations textiles, et la mise en forme de cette ébauche (étape E20), et - la formation de la matrice dans la porosité de la préforme fibreuse (étape E30). La illustre la formation des couches d’interphase sur les fils transportés en continu dans une chambre de traitement (étape E10). Cette réalisation peut être mise en œuvre à l’aide de techniques connues en soi et l’on peut par exemple se référer au document FR 3 044 022. Une brève description d’un exemple de dispositif 100 convenable pour former l’interphase 7 sur les fils 3 est présentée ci-dessous en référence à la . Le dispositif 100 comprend une chambre de traitement 4 dans laquelle une pluralité de fils 3 sont transportés en étant entraînés par un système de convoyage, comprenant ici des poulies 6. La chambre 4 forme trois zones de traitement 41, 42 et 43 dans lesquels les fils 3 passent successivement pour former chacune des couches 71, 72 et 73. Un mélange précurseur IP de BN est introduit dans chacune des zones 41-43, et est évacué comme matérialisé par les flèches EP. Des conditions pour former du BN amorphe ou du BN cristallin sont connues en soi. On peut introduire dans chacune des zones 41-43 un mélange de BCl 3 et de NH 3 . Néanmoins, la température imposée dans les zones 41 et 43 peut être différente de celle dans la zone 42 afin d’obtenir dans cette dernière une couche de BN cristallin. Ainsi, on peut imposer dans les zones 41 et 43 une température comprise entre 700 °C et 900 °C et une pression comprise entre 0,1 kPa et 0,9 kPa afin de former les couches de BN amorphe. On peut imposer dans la zone 42 une température supérieure ou égale à 1150 °C, par exemple comprise entre 1150 °C et 1450 °C, et une pression comprise entre 0,1 kPa et 0,9 kPa afin de former la couche de BN cristallin. Une fois les fils 3 revêtus par l’interphase 7, une ébauche fibreuse peut être obtenue par tissage tridimensionnel, c’est-à-dire un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaine lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Le tissage tridimensionnel peut par exemple être à armure « interlock », c'est-à-dire un tissage dans lequel chaque couche de fils de chaîne lie une pluralité de couches de fils de trame, avec tous les fils d’une même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l’armure. Les rôles des chaînes et trames peuvent être inversés, et cette inversion doit être considérée également comme étant couverte par les revendications. L'utilisation d'autres types de tissage 3D ne sort bien entendu pas du cadre de l'invention. Diverses techniques de tissage convenables sont décrites dans le document WO 2006/136755. Il est aussi possible de partir de textures fibreuses telles que des tissus bidimensionnels ou des nappes unidirectionnelles, et d’obtenir le renfort par drapage de telles textures fibreuses sur une forme. Ces textures peuvent éventuellement être liées entre elles par exemple par couture ou implantation de fils pour former le renfort. L’ébauche est ensuite mise en forme dans un outillage de conformation de manière connue en soi, de sorte à obtenir la préforme fibreuse qui présente sensiblement la forme et les dimensions de la pièce à obtenir. Une matrice en céramique est ensuite formée dans la porosité de la préforme fibreuse ainsi obtenue (étape E30). La formation de la matrice fait appel à des techniques connues en soi. La préforme peut d’abord être consolidée dans l’outillage de conformation par dépôt d’une phase de matrice de consolidation sur l’interphase 7. Ce dépôt peut être réalisé par infiltration chimique en phase vapeur. La phase de consolidation peut être en carbure de silicium. La phase de consolidation correspond ici à la partie de la matrice 5 illustrée à la . L'épaisseur de la phase de consolidation est suffisante pour consolider la préforme fibreuse, c'est-à-dire pour lier ensemble suffisamment les fils afin de permettre à la préforme d'être manipulée tout en conservant sa forme sans l'assistance d'un outillage de maintien. La préforme consolidée peut ensuite être retirée de son outillage de conformation et une matrice de pré-densification en carbure de silicium peut être déposée sur la phase de consolidation, par exemple par infiltration chimique en phase vapeur. Après formation de la matrice de pré-densification, on peut introduire une barbotine dans la porosité résiduelle de la préforme qui comprend des particules de carbure de silicium, éventuellement additionnées de particules de carbone, puis procéder à une infiltration par du silicium ou par un alliage de silicium à l’état fondu afin d’obtenir une phase de matrice Si-SiC. La phase de matrice Si-SiC forme une matrice de densification venant recouvrir, ici au contact de, la matrice de pré-densification. On vient de décrire un exemple de gamme possible pour la fabrication de la matrice mais la personne du métier reconnaîtra que des variantes sont possibles sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, la matrice peut être formée en tout ou partie par une technique d'infiltration de polymère et de pyrolyse (« Polymer Infiltration and Pyrolysis » ; « PIP »), ou intégralement par infiltration chimique en phase vapeur. La illustre une variante de fabrication de la pièce en matériau composite de la dans laquelle la préforme fibreuse est d’abord formée de manière similaire à ce qui a été décrit plus haut (étape E200), puis dans laquelle l’interphase 7 est formée dans la porosité de la préforme fibreuse déjà réalisée en utilisant les mêmes conditions de dépôt que ce qui a été décrit plus haut si ce n’est que la préforme n’est pas en mouvement lors du dépôt (étape E100). Une matrice en céramique est ensuite formée sur l’interphase comme décrit plus haut (étape E300). D’une manière générale, la pièce 1 peut être une pièce de turbine de moteur d’aéronef. A titre d'exemple, la pièce 1 peut être un anneau de turbine ou un secteur d’anneau de turbine, une aube mobile, une aube fixe, une paroi de chambre de combustion, un distributeur ou une partie d’un distributeur. La description ci-dessus décrit une interphase 7 à trois couches 71-73 mais l’on ne sort pas du cadre de l’invention si l’interphase comprend davantage de couches, par exemple avec plusieurs couches de BN cristallin alternant avec des couches de BN amorphe. Selon une variante non illustrée, l’interphase est bicouche et ne comprend que la première couche de nitrure de bore amorphe en contact avec les fils et la deuxième couche de nitrure de bore cristallin recouvrant la première couche. Dans ce cas, la deuxième couche est au contact de la première couche et peut être en contact avec la matrice. L’expression « comprise entre … et … » doit être comprise comme incluant les bornes. Pièce (1) en matériau composite comprenant un renfort fibreux en fils (3) en céramique ou en carbone, une matrice (5) en céramique et une interphase (7) recouvrant les fils et située entre ces derniers et la matrice, la pièce étant caractérisée en ce que l’interphase comprend une première couche (71) de nitrure de bore amorphe en contact avec les fils et une deuxième couche (72) de nitrure de bore cristallin recouvrant la première couche. Pièce (1) selon la revendication 1, dans lequel la deuxième couche (72) de nitrure de bore cristallin a une épaisseur locale (e72) comprise entre 20 nm et 50 nm. Pièce (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la deuxième couche (72) de nitrure de bore cristallin est située à une distance (d) des fils (3) ne dépassant pas 100 nm. Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première couche (71) de nitrure de bore amorphe a une épaisseur locale (e71) supérieure ou égale à 50 nm. Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’interphase comprend en outre une troisième couche (73) de nitrure de bore amorphe recouvrant la deuxième couche (72) et en contact avec la matrice (5). Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le renfort fibreux présente un tissage tridimensionnel. Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les fils (3) sont en carbure de silicium et au moins une partie de la matrice (5) en contact avec l’interphase est en carbure de silicium. Procédé de fabrication d’une pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant : - le revêtement (E10) des fils (3) par les première (71), deuxième (72) et éventuellement troisième (73) couches de l’interphase (7) par dépôt chimique en phase vapeur, - la réalisation d’une préforme fibreuse (E20) formant le renfort fibreux de la pièce à obtenir à partir des fils ainsi revêtus comprenant la formation d’une ébauche fibreuse par mise en œuvre d’une ou plusieurs opérations textiles, et la mise en forme de cette ébauche, et - la formation de la matrice (E30) dans la porosité de la préforme fibreuse. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le revêtement des fils (3) par l’interphase (7) est réalisé alors que ces derniers sont transportés au travers d’une chambre (4) de traitement. Procédé de fabrication d’une pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant : - la réalisation d’une préforme fibreuse (E200) formant le renfort fibreux de la pièce à obtenir comprenant la formation d’une ébauche fibreuse par mise en œuvre d’une ou plusieurs opérations textiles, et la mise en forme de cette ébauche, - le revêtement (E100) des fils (3) dans la préforme fibreuse ainsi réalisée par les première (71), deuxième (72) et éventuellement troisième (73) couches de l’interphase (7) par infiltration chimique en phase vapeur, et - la formation de la matrice (5) dans la porosité de la préforme fibreuse comprenant les fils ainsi revêtus.