Brevet FR3156780A1 — publié le 20250620

Procédé de fabrication d’une pièce en CMC L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins les étapes suivantes : - une étape de chauffage d’une préforme fibreuse (20, 30) à une température supérieure ou égale à 1450°C ; puis - une étape d’infiltration de la préforme fibreuse par une composition d’infiltration ladite composition d’infiltration comprenant au moins du silicium liquide ; puis - une étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme fibreuse par exposition de ladite surface à un flux de gaz froid ; puis - le refroidissement de l’ensemble de la préforme fibreuse. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de fabrication d’une pièce en CMC Le présent exposé concerne un procédé pour la fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique. Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) 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 carburant et donc à la réduction significative des émissions polluantes. Ces avantages expliquent l’intérêt industriel de développer de tels matériaux composites à matrice céramique. Une méthode connue pour la fabrication d’une telle pièce est l’infiltration par du silicium à l’état fondu, dite souvent « MI » pour l’acronyme anglais « Melt Infiltration ». Dans une telle méthode, une préforme fibreuse est imprégnée par une composition d’infiltration comprenant généralement du silicium fondu pour former la matrice du matériau CMC dans la porosité de la préforme fibreuse. Généralement pour la réalisation de l’infiltration, une extrémité de la préforme est trempée dans un bain de composition d’infiltration, de sorte que cette dernière emplisse la porosité de la préforme par capillarité. Une telle méthode est satisfaisante de manière industrielle, mais des améliorations demeurent souhaitables. En particulier, 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 ultérieur 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. Alternativement, il est possible d’ajouter des masses thermiques aux endroits où l’on souhaite que se forment lesdits nodules. Cependant, cette alternative ne permet pas une maîtrise totale des endroits de l’apparition des nodules, et n’est pas applicables à toutes les géométries de pièces. 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 vise précisément à répondre à ce besoin. Elle concerne selon un premier de ses aspects un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins les étapes suivantes : - une étape de chauffage d’une préforme fibreuse à une température supérieure à la température de fusion de l’alliage ; puis - une étape d’infiltration de la préforme fibreuse par une composition d’infiltration liquide ladite composition d’infiltration comprenant au moins du silicium; puis - une étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme fibreuse par exposition de ladite surface à un flux de gaz froid ; puis - le refroidissement de l’ensemble de la préforme fibreuse. Dans un procédé de l’invention, l’étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme fibreuse par exposition à un flux de gaz froid vise à empêcher l’apparition de nodules à cet endroit. En effet, il est du mérite des inventeurs d’avoir compris que les nodules se forment principalement à la fin du refroidissement de la composition d’imprégnation si bien que l’exposition d’une portion de la surface à un flux de gaz froid garantit que cette dernière soit dépourvue de nodules après le refroidissement complet. Notamment un excellent état de surface peut ainsi être assuré à la pièce et en particulier à la surface de la pièce exposée au flux de gaz froid. Bien entendu, le procédé n’entend pas empêcher totalement l’apparition de nodules, ces derniers étant inhérents à la physique du silicium fondu, mais permet de garantir que ceux-ci ne se forment pas sur les surfaces refroidies préférentiellement. L’invention propose donc une solution alternative à l’utilisation de masses thermiques pour permettre un refroidissement plus lent des zones où l’on accepte la présence de nodules. Le procédé proposé vise à assurer un refroidissement rapide des surfaces de la préforme sur laquelle il faut éviter l’apparition de nodules de silicium. En outre, la méthode de l’invention permet de protéger des zones de l’apparition de nodules plus efficacement que l’applications de masses thermiques, et/ou pour des géométries complexes où les masses thermiques ne peuvent être mises en place. Dans un mode de réalisation, la préforme fibreuse comprend une cavité, et la portion de la surface de la préforme fibreuse exposée à un flux de gaz froid est la surface interne de ladite cavité. En effet, pour une telle cavité, il est très difficile dans les procédés de l’art antérieur de garantir un refroidissement rapide qui garantisse l’absence de nodules. Egalement, sur la surface interne d’une cavité il est très compliqué d’envisager des étapes ultérieures d’usinage permettant d’éliminer les nodules une fois ceux-ci formés. C’est pourquoi c’est pour une telle pièce qu’il est encore plus avantageux d’envisager les modes de réalisation décrits plus haut. Dans un mode de réalisation, la portion de la surface de la préforme fibreuse exposée à un flux de gaz froid est une surface de la préforme formant un angle inférieur ou égal à 20°. En effet, lorsqu’une préforme forme un tel angle, il est généralement constaté la présence de nodules. Sans vouloir être liés par la théorie, les inventeurs sont d’avis que c’est la géométrie de telles pièces qui explique la présence de nodules. En effet ces zones refroidissent plus lentement que le reste de la préforme car leurs surfaces externes sont proches d’autres surfaces chaudes. Or, comme pour les cavités, il est complexe voire impossible, d’usiner de telles surfaces si des nodules venaient à y être formés. Le procédé décrit permet quant à lui d’assurer que les nodules ne se forment pas sur les surfaces refroidies par le flux de gaz froid, et d’assurer ainsi que les pièces possèdent des propriétés optimales une fois densifiées. Dans un mode de réalisation, la température supérieure à la température de fusion de l’alliage est supérieure ou égale à 1450°C. Une telle température est en particulier supérieure à la température de fusion des compositions d’infiltration comprenant un alliage de silicium. Dans un mode de réalisation, la préforme peut comprendre des fibres de carbure de silicium, des fibres de carbone ou un mélange de fibres de carbure de silicium et de fibres de carbone. En effet, c’est pour de telles préformes qu’il est particulièrement avantageux de recourir à des procédés d’infiltration par du silicium à l’état fondu. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le flux de gaz froid peut comprendre des gaz choisis parmi l’hélium ou l’argon ou un mélange de ces composés. Le choix particulier de tels gaz assure qu’il n’y ait pas de réaction entre le gaz et la pièce en matériau CMC. Un tel mode de réalisation permet d’assurer que le gaz froid apporté pour l’étape particulière d’exposition d’une surface de la préforme à un flux de gaz froid, ne réagisse pas avec la préforme, ou avec la composition d’infiltration liquide. En outre, la température du flux de gaz froid permet en outre d’assurer un refroidissement suffisant de la préforme pour assurer l’absence de nodules en surface de la préforme. Dans un mode de réalisation, l’étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme est réalisée après que l’ensemble de la surface de la préforme soit redescendue en dessous d’une température cible. Dans un mode de réalisation, la température cible peut être de 1420°C qui est particulièrement adaptée au cas où la composition d’infiltration comprend un alliage de silicium. Par exemple, la température cible peut être de 5°C supérieure à la température de solidification de l’alliage choisi pour la composition d’infiltration. Une température légèrement supérieure à la température de solidification de la composition d’infiltration permet d’assurer que la solidification est proche dans toute la préforme avant d’initier la solidification là où la pièce est exposée au flux de gaz froid. Dans un mode de réalisation, la pièce est choisie parmi un distributeur ou une aube de turbomachine. Dans un mode de réalisation, la pièce peut comprendre plus d’une cavité, la surface interne de chacune d’entre elles étant exposée à un flux de gaz froid. C’est en effet pour de telles pièces que les avantages décrits plus haut sont les plus intéressants, notamment puisqu’il est difficile par les procédés de l’art antérieur de garantir l’absence de nodules sur les surfaces d’intérêt de telles pièces. Dans un mode de réalisation, la pièce est une pièce en matériau composite SiC/SiC. FIG. 1 La FIG. 1 est une représentation schématique d’une canne d’injection de gaz froid utile à la réalisation d’un procédé de l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 représente schématique un mode de réalisation d’une étape de refroidissement d’une portion de la surface d’une préforme fibreuse au moyen d’une canne d’injection de la FIG. 1 . FIG. 3 La FIG. 3 représente schématique un mode de réalisation d’une étape de refroidissement d’une portion de la surface d’une autre préforme fibreuse au moyen d’une canne d’injection de la FIG. 1 . 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 FIG. 1 représente une canne d’injection de gaz 10 pour la réalisation d’un procédé tel que décrit plus haut. Dans un mode de réalisation, la canne d’injection de gaz 10 peut être alimentée via un orifice 12 située à l’un de ses extrémités. De préférence, la canne comprend en outre un ou plusieurs orifices de sortie 11, lesquels assurent une évacuation du gaz introduit dans la canne 10 via l’orifice 12. Dans un mode de réalisation, l’étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme fibreuse peut être réalisée par en réalisant les sous-étapes suivantes : - l’alimentation d’une canne d’injection de gaz 10 par un gaz ; puis - la disposition de la canne d’injection de gaz 10 à la surface de la préforme à refroidir. Ces sous-étapes permettent une précision excellente de la surface exposée à un flux de gaz froid. De manière générale dans la demande un flux de gaz sera dit « froid » s’il permet une diminution de la température de la surface exposée audit flux de gaz comparativement au reste de la surface de la préforme. De préférence, l’étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme fibreuse est réalisée sitôt l’infiltration de la préforme par la composition d’infiltration terminée. Dans un mode de réalisation, le flux de gaz froid est introduit dans le circuit d’exposition de la surface à un flux de gaz froid à température ambiante. Il est entendu que le flux de gaz froid peut néanmoins se réchauffer au moins du fait de son passage à proximité de la préforme chaude, ou encore dans le four encore chaud ayant servi à l’infiltration. Toutefois, ce chauffage du flux de gaz froid lors de son acheminement vers la surface de la préforme n’empêche pas le flux de gaz de refroidir la surface de la préforme qu’il vient rencontrer. Dans un mode de réalisation, il est possible d’envisager l’étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme seulement après que l’ensemble de la surface de la préforme soit redescendue en dessous d’une température cible. Dans un mode de réalisation, la température cible peut être 1420°C. Cette température est particulièrement avantageuse dans le cas où la composition d’infiltration comprend un alliage de silicium. En effet, avec une température légèrement supérieure à la température de solidification de la composition d’infiltration, on assure que la solidification de la composition d’infiltration soit proche avant d’initier la solidification là où la pièce est exposée au flux de gaz froid et l’on évite les gradients de température trop importants. De manière alternative, la température cible peut être de 5°C supérieure à la température de solidification de la composition d’infiltration. Par exemple, la préforme peut être sortie de l’enceinte dans laquelle a été réalisée l’infiltration par la composition d’infiltration, avant l’exposition d’une portion de sa surface à un flux de gaz froid. Dans un mode de réalisation, il est entendu que la portion de la surface de la préforme exposée à un flux de gaz froid est inférieure ou égale à 50 % de la surface totale de la préforme. En effet, un tel mode de réalisation assure qu’il reste, après l’exposition d’une portion de la surface de la préforme à un flux de gaz froid, des parties de la surface de la préforme où la température est suffisamment élevée pour que la composition d’infiltration n’y soit pas encore solidifiée. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la canne d’injection de gaz 10 peut comprendre un dispositif de commande du débit du flux de gaz. Dans le mode de réalisation de la FIG. 1 , la canne d’injection de gaz 10 est cylindrique, comme la cavité de la préforme. La forme de la canne n’est nullement limitative. Toutefois, dans un mode de réalisation, la canne d’injection de gaz 10 peut avoir la même forme qu’une cavité de la pièce. On assure ainsi un projection de gaz froid sur l’ensemble de la surface interne de la cavité. La FIG. 2 représente un exemple de réalisation d’une étape de refroidissement d’un procédé décrit plus haut. Sur la FIG. 2 , la canne d’injection de gaz 10 est disposée dans la cavité interne 22 d’une préforme fibreuse 20. L’orifice 12 de la canne d’injection de gaz 10 est alimenté par un flux de gaz neutre froid, représenté sur la FIG. 2 par une flèche. Cela n’est pas figuré sur la FIG. 2 , mais dans un mode de réalisation, la canne d’injection de gaz 10 est reliée à une ou plusieurs source(s) de gaz, ce qui permet d’assurer que le gaz froid ait à la composition voulue. De même, dans un mode de réalisation, la canne d’injection de gaz 10 est reliée à un thermostat, ce qui permet d’assurer que le gaz froid soit à la température voulue. Dans un mode de réalisation, la canne d’injection de gaz 10 est reliée à un organe de permettant d’ajuster la pression ainsi que le débit du gaz froid. Le gaz apporté dans la canne d’injection de gaz 10 ressort de cette dernière par les orifices 11 et entre ainsi en contact avec la surface de la cavité 22 de la préforme 20. Le gaz ainsi apporté refroidit alors la surface de la cavité 22 de la préforme 20, et la composition d’infiltration qui imprègne la préforme s’y solidifie en premier. On maîtrise ainsi l’expansion thermique du silicium et le flux de gaz froid empêche l’apparition de nodules de silicium sur la surface de la cavité 22 de la préforme 20. Il s’ensuit un excellent état de surface pour la surface de la cavité 22 de la préforme 20, et il est ainsi observé qu’aucun nodule de silicium n’y est présent une fois le silicium entièrement refroidi. La FIG. 3 décrit un autre exemple de réalisation dans lequel la préforme 30 comprend un angle, de préférence inférieur ou égal à 20°. L’angle auquel il est ici fait référence entend caractériser l’étendue relative des deux portions de la préforme 30 l’une par rapport à l’autre et s’entend indépendamment de la forme exacte de la jonction que celle soit arrondie ou anguleuse comme représenté ici. La surface interne 32 formant l’angle d’une telle préforme 30 bénéficie grandement d’un procédé selon l’invention. En effet, une telle surface interne 32 est difficilement accessible et un usinage visant à en retirer un éventuel nodule est difficilement envisageable. Ainsi, il est particulièrement bénéfique de pouvoir mettre en œuvre un procédé tel que décrit pour de telles pièces, ce qui assure que les nodules de silicium ne se forment pas sur une telle surface interne 32. Dans un mode de réalisation, la méthode particulière d’infiltration de la préforme 20, 30 par du silicium fondu peut être réalisée dans une installation connue en tant que telle. Pour la réalisation d’un procédé selon l’invention, il convient d’ajouter à une telle installation une canne d’infiltration de gaz 10, et de connecter une telle canne 10 à une source de gaz froid. De manière alternative, l’étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme fibreuse 20, 30 par exposition de ladite surface à un flux de gaz froid peut être réalisée en dehors de l’enceinte dans laquelle a été réalisée l’étape d’infiltration. Dans un mode de réalisation, la porosité de la préforme fibreuse 20, 30 peut être imprégnée par des particules avant l’étape d’infiltration de la préforme fibreuse 20, 30 par la composition d’infiltration comprenant du silicium liquide. Par exemple de telles particules permettent d’apporter dans la porosité de la préforme fibreuse 20, 30 des particules qui réagissent avec le silicium liquide pour assurer la formation d’une matrice céramique, par exemple en carbure de silicium. Dans un mode de réalisation, les particules imprégnant la préforme 20, 30 avant l’étape d’infiltration peuvent être des particules céramiques et /ou de carbone. Dans un procédé tel que décrit, l’étape de refroidissement intégral de la préforme doit permettre un retour à la température ambiante de la préforme dans laquelle le silicium a été infiltré. Une telle étape de refroidissement peut être contrôlée ou au contraire, réalisée par mise à l’air de la pièce une fois l’étape de refroidissement d’une portion de la surface effectuée. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique, comprenant au moins les étapes suivantes : - une étape de chauffage d’une préforme fibreuse (20, 30) à une température supérieure à la température de fusion de l’alliage ; puis - une étape d’infiltration de la préforme fibreuse par une composition d’infiltration liquide ladite composition d’infiltration comprenant au moins du silicium; puis - une étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme fibreuse par exposition de ladite surface à un flux de gaz froid ; puis - une étape de refroidissement de l’ensemble de la préforme fibreuse. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la préforme fibreuse (20, 30) comprend des fibres de carbure de silicium, des fibres de carbone ou un mélange de fibres de carbure de silicium et de fibres de carbone. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la préforme fibreuse (20) comprend une cavité (22), et dans lequel la portion de la surface de la préforme fibreuse exposée à un flux de gaz froid est la surface interne de ladite cavité. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la portion de la surface de la préforme fibreuse exposée à un flux de gaz froid est une surface (32) de la préforme (30) formant un angle inférieur ou égal à 20°. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le flux de gaz froid peut comprendre des gaz choisis parmi l’hélium ou l’argon ou un mélange de ces composés. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la pièce est choisie parmi un distributeur ou une aube de turbomachine. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape de refroidissement d’une portion de la surface de la préforme est réalisée après que l’ensemble de la surface de la préforme soit redescendue en dessous d’une température cible.