Arrière-plan de l'invention

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite munie d'un capteur, notamment dans le cadre d'applications aéronautiques.

Il est connu d'instrumenter des pièces en matériau composite à l'aide de capteurs de mesure en vue de déterminer les sollicitations physiques ou chimiques auxquelles ces pièces sont soumises. Couramment, les capteurs sont fixés sur une ou plusieurs surfaces de la pièce par l'intermédiaire d'organes de maintien. Les mesures retournées par les capteurs permettent alors d'accéder aux sollicitations réelles vues par la pièce en fonctionnement, tels que la température, la pression ou encore la déformation de la pièce.

En pratique, les organes de maintien des capteurs sont fixés sur une surface de la pièce par l'intermédiaire d'une colle céramique. Les capteurs de mesure sont ensuite insérés dans des logements définis par les organes de maintien. La tenue sur la pièce d'une telle instrumentation doit alors être assurée durant plusieurs centaines d'heures.

Cependant, lorsque la pièce est soumise à de fortes sollicitations, par exemple à des contraintes vibratoires sévères, il se peut que certains organes de maintien se détachent de la pièce sous-jacente sur laquelle ils sont fixés. Le détachement de ces organes de maintien peut alors conduire aux pertes des mesures des capteurs qui étaient précédemment logés dans ces organes. Il serait donc souhaitable de renforcer la tenue des organes de maintien sur la pièce composite afin de limiter le risque potentiel de détachement de ces organes. Obiet et résumé de l'invention

La présente invention a pour but d'améliorer le maintien de capteurs de mesure sur la surface d'une pièce en matériau composite.

A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite munie d'un capteur, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : - assemblage d'une première préforme consolidée ou non consolidée de la pièce à obtenir avec une deuxième préforme d'un organe de maintien,

- co-densification des première et deuxième préformes ainsi assemblées afin d'obtenir la pièce en matériau composite munie de l'organe de maintien, et

- positionnement d'au moins un capteur de mesure d'un paramètre, physique ou chimique, dans un logement défini par l'organe de maintien.

Une préforme est dite à l'état consolidé lorsqu'elle a subi une étape de consolidation durant laquelle sa porosité initiale a été partiellement comblée par un dépôt d'une phase de consolidation, cette préforme à l'état consolidé conservant une porosité résiduelle laquelle peut être en tout ou partie comblée lors de l'étape de co-densification ultérieure. Divers exemples de méthodes de consolidation sont détaillés dans la suite. Une préforme est dite à l'état non consolidé lorsqu'elle est dépourvue d'une telle phase de consolidation.

L'assemblage des première et deuxième préformes est destiné à former, après la co-densification, le renfort fibreux d'une structure en matériau composite d'un seul tenant, qui comprend l'organe de maintien. Avantageusement, la co-densification de la préforme de la pièce et de la préforme de l'organe de maintien permet d'obtenir une meilleure adhésion de l'organe de maintien à la pièce sous-jacente. Le maintien des capteurs de mesure à la pièce s'en voit, par conséquent, renforcé.

Dans un exemple de réalisation de ce procédé, l'organe de maintien comprend deux parties formant pattes reliées à la pièce et situées de part et d'autre du logement, et une partie de jonction fermant le logement du côté opposé à la pièce et reliant les pattes.

Dans un exemple de réalisation de ce procédé, l'organe de maintien comprend deux éléments de maintien espacés situés de part et d'autre du logement, l'espacement entre les deux éléments de maintien diminuant lorsque l'on s'éloigne de la pièce.

Dans un exemple de réalisation de ce procédé, la co-densification est réalisée par infiltration chimique en phase vapeur.

Dans un autre exemple de réalisation de ce procédé, la co- densification est réalisée par voie liquide. Dans un exemple de réalisation de ce procédé, on dépose une matrice de carbure de silicium dans la porosité des première et deuxième préformes durant la co-densification.

Dans un exemple de réalisation de ce procédé, le capteur est un capteur de température.

Dans un exemple de réalisation de ce procédé, la pièce est un divergent de tuyère.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- les figures 1 à 4 illustrent les différentes étapes d'un exemple de procédé selon l'invention,

- la figure 5 illustre une pièce composite munie de capteurs obtenue par mise en œuvre d'un autre exemple de procédé selon l'invention,

- la figure 6 est une photographie d'une partie d'une pièce composite munie d'un organe de maintien analogue à celui de la figure 5,

- la figure 7 illustre un divergent muni d'organes de maintien et de capteurs de mesure réalisé selon l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation

Les figures 1 à 4 illustrent les différentes étapes de fabrication d'une pièce en matériau composite destinée à être instrumentée par au moins un capteur de mesure.

La figure 1 illustre une première préforme 1 de la pièce en matériau composite à fabriquer et une deuxième préforme 2 d'un organe de maintien destiné à assurer le maintien d'au moins un capteur de mesure sur la pièce à fabriquer.

La première préforme 1 et la deuxième préforme 2 sont des préformes fibreuses, chacune réalisée par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne et une pluralité de couches de fils de trame.

Le tissage multicouche réalisé peut être notamment un tissage à armure "interlock", c'est-à-dire une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. En alternative, chaque couche de fils de chaîne lie plusieurs 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 entre les fils de chaîne et les fils de trame étant interchangeables.

D'autres types de tissage multicouche pourront être utilisés. Différents modes de tissage multicouche utilisables sont notamment décrits dans le document WO 2006/136755.

Dans un exemple de réalisation, les première et deuxième préformes 1, 2 fibreuses peuvent être formées de fils de carbone. En variante, les première et deuxième préformes fibreuses 1, 2 peuvent être formées de fils céramiques tels que des fils de carbure de silicium.

Ainsi, dans un exemple de réalisation, les fils utilisés peuvent être des fils de carbure de silicium (SiC) fournis sous la dénomination « Nicalon », « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise Nippon Carbon ou « Tyranno SA3 » par la société UBE et ayant par exemple un titre (nombre de filaments) de 0,5K (500 filaments).

Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, la deuxième préforme 2 est réalisée de sorte à présenter un profil en forme d'arche ou de pontet. Plus précisément, la préforme 2 de l'organe de maintien comprend deux parties 2-1, 2-2 formant pattes et une partie 2-3 de jonction s'étendant entre les parties 2-1, 2-2. Les parties 2-1, 2-2, 2-3 délimitent une cavité 2- 4. La cavité 2-4 est destinée à former un logement pour la réception d'au moins un capteur de mesure une fois l'organe de maintien fixé à la pièce composite.

Après tissage, la première préforme 1 fibreuse peut éventuellement, mais non-nécessairement, être consolidée par dépôt d'une phase de consolidation dans la porosité de la première préforme 1, cette phase de consolidation pouvant être déposée par voie gazeuse ou par voie liquide de façon connue en soi.

Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur du matériau de la phase de consolidation. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche. Ensuite, on referme le moule et on injecte le précurseur liquide de phase de consolidation (par exemple une résine) dans le moule afin d'imprégner la préforme.

La transformation du précurseur en phase de consolidation est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère.

Dans le cas de la formation d'une phase de consolidation en matériau céramique, le traitement thermique comporte une étape de pyrolyse du précurseur pour former la phase de consolidation en matériau céramique. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir à la consolidation souhaitée.

Dans le procédé par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur de la phase de consolidation ; procédé « CVI »), la préforme fibreuse est placée dans un four dans lequel est admise une phase gazeuse réactionnelle. La pression et la température régnant dans le four et la composition de la phase gazeuse sont choisies de manière à permettre la diffusion de la phase gazeuse au sein de la porosité de la préforme pour y former la phase de consolidation par dépôt, au cœur du matériau au contact des fibres, d'un matériau solide résultant d'une décomposition d'un constituant de la phase gazeuse ou d'une réaction entre plusieurs constituants.

La formation d'une phase de consolidation SiC peut être obtenue avec du méthyltrichlorosilane (MTS) donnant du SiC par décomposition du MTS.

Par ailleurs, la deuxième préforme 2 peut être ou non consolidée avant d'être assemblée avec la première préforme 1.

Les préformes 1, 2 sont ensuite assemblées l'une contre l'autre par superposition, de sorte à former, après la co-densification, le renfort fibreux d'une structure composite d'un seul tenant. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, les parties 2-1, 2-2 formant pattes de la deuxième préforme 2 et une surface 1-1 de la première préforme 1 sont assemblées à l'aide d'une couche d'adhésif 3. Cette couche d'adhésif 3 est par exemple une colle céramique à base de graphite, par exemple la colle fournie sous la dénomination « Graphi-Bond™ 551-R » de la société AREMCO.

Une fois assemblées l'une à l'autre, les préformes 1, 2 subissent une étape de co-densification. On obtient après la co-densification une structure dans laquelle les première et deuxième préformes sont densifiées et les parties formant pattes 2-1 et 2-2 sont fixées à la pièce sous-jacente par co-densification.

La co-densification des première et deuxième préformes 1, 2 peut être réalisée par voie liquide.

Dans un premier exemple la co-densification par voie liquide est réalisée par infiltration à l'état fondu. Il y a tout d'abord introduction, dans la porosité des première et deuxième préformes 1, 2 assemblées, de charges, par exemple de charges réactives les charges étant par exemple choisies parmi SiC, S13N4, C, B, et leurs mélanges. L'introduction des charges peut, par exemple, être effectuée par voie barbotine (« Slurry cast »), par aspiration de poudres sub-microniques (APS) ou par un procédé d'injection du type procédé de moulage par injection de résine (« Resin Transfer Molding » ou « RTM ») dans lequel un traitement thermique est effectué après l'injection pour faire évaporer le milieu liquide.

Une fois les charges introduites, les première et deuxième préformes 1, 2 sont ensuite infiltrées avec une composition d'infiltration à l'état fondu comportant par exemple du silicium afin de former une matrice co-densifiant les première et deuxième préformes 1 et 2. Comme illustré sur la figure 3, on obtient ainsi une pièce 10 composite munie d'au moins un organe de maintien 11 formant une structure d'un seul tenant. La composition d'infiltration peut être constituée de silicium fondu ou en variante être sous la forme d'un alliage fondu de silicium et d'un ou plusieurs autres constituants. Le(s) constitua nt(s) présent(s) au sein de l'alliage de silicium peuvent être choisi(s) parmi B, Al, Mo, Ti, et leurs mélanges.

Lorsque des charges réactives sont utilisées, sensiblement l'intégralité des charges réactives peut être consommée durant la réaction entre la composition d'infiltration et les charges réactives. En variante, seule une partie des charges réactives est consommée durant cette réaction. Dans un exemple de réalisation, l'infiltration à l'état fondu réalisée peut permettre l'obtention d'une matrice par réaction entre des charges solides, par exemple de type C, SiC ou Si ₃ N ₄ introduites par voie barbotine ou pré-imprégnées, et un alliage fondu à base de silicium. La réaction peut se produire à une température supérieure ou égale à 1420°C. Compte tenu des températures élevées mises en œuvre, il peut être avantageux qu'une partie au moins des première et deuxième préformes soit constituée de fibres thermostables, par exemple de type Hi-Nicalon voire Hi-Nicalon S.

La matrice formée par co-densification peut être en matériau céramique ou en carbone.

Dans un deuxième exemple, la co-densification par voie liquide est réalisée par injection d'une résine, puis polymérisation de cette dernière, de manière similaire à ce qui a été évoqué plus haut pour la consolidation. L'étape de polymérisation peut éventuellement, mais non nécessairement, être ensuite suivie d'une étape de pyrolyse.

En variante, la co-densification des première et deuxième préformes 1, 2 peut être réalisée par infiltration chimique en phase vapeur de sorte à obtenir la pièce 10 composite munie de l'organe de maintien 11. Ce type de procédé est réalisé de manière similaire a ce qui a été évoqué plus haut pour la consolidation.

Les fils des première et deuxième préformes peuvent, avant la co- densification, avoir été revêtus d'une couche d'interphase, par exemple en PyC, BN ou BN dopé par du silicium, et éventuellement d'une couche de carbure, par exemple en SiC ou S13N4.

Quel que soit le procédé de co-densification choisi, on obtient une structure d'un seul tenant en matériau composite présentant un profil correspondant à celui de l'assemblage des préformes 1, 2. La structure ainsi obtenue est formée de la pièce 10 munie d'au moins un organe de maintien 11. Dans l'exemple illustré sur la figure 3, l'organe de maintien 11 est formé de deux pattes 11-1, 11-2 espacées entre elles et liées par co-densification au reste de la structure 10, les traits pointillés symbolisant la jonction entre les pattes 11-1, 11-2 et le reste de la structure 10. Les pattes 11-1, 11-2 ainsi qu'une surface 10-1 de la pièce 10 s'étendant entre les pattes 11-1, 11-2 délimitent un logement 12. Ce logement 12 est fermé du côté opposé à la pièce 10 par une partie de jonction 11-3 reliant les pattes 11-1, 11-2 entre elles. Au moins un capteur de mesure est alors positionné dans le logement 12 en vue de mesurer un paramètre physique ou chimique de la pièce 10. A titre d'exemple, sur la figure 4, deux capteurs 20 sont insérés dans le logement 12, un nombre plus élevé ou moins élevé de capteurs pouvant être envisagé. En outre, un adhésif (ex : une colle céramique) peut éventuellement, mais non nécessairement, être déposé dans l'espace restant du logement 12 afin de limiter tout mouvement du ou des capteurs 20 qui sont déjà insérés dans le logement 12.

La figure 5 illustre une variante de réalisation d'un organe de maintien 31 solidarisé à une pièce 30 en matériau composite. L'organe de maintien 31 est réalisé à partir d'un procédé similaire à celui de l'organe de maintien 11. Cependant, à la différence de l'organe de maintien 11, l'organe de maintien 31 est, cette fois, fabriqué à partir de deux préformes élémentaires. Les deux préformes élémentaires de l'organe de maintien 31 présentent, à titre d'exemple, une forme de biseau et sont assemblées sur une surface d'une première préforme correspondant à la préforme de la pièce 30 en matériau composite à fabriquer. L'ensemble de ces préformes subit ensuite une étape de co-densification, telle que précédemment décrite, de manière à obtenir une structure d'un seul tenant formée de la pièce 30 en matériau composite munie d'au moins un organe de maintien 31.

Dans l'exemple illustré sur la figure 5, l'organe de maintien 31 obtenu est formé de deux éléments de maintien 31-1, 31-2 espacés entre eux et liés par co-densification à la pièce 30. Les traits pointillés symbolisent ici la jonction entre les éléments de maintien 31-1, 31-2 et le reste de la pièce 30. Les éléments de maintien 31-1, 31-2 et une surface 30-1 de la pièce 30 s'étendant entre ces éléments délimitent un logement 32.

Au moins un capteur de mesure est ensuite inséré dans le logement

32. Ainsi, dans l'exemple illustré, deux capteurs 40 de mesure sont insérés dans le logement 32. Par ailleurs, afin de sécuriser le maintien des capteurs 40 présents dans le logement 32, l'espacement entre les éléments de maintien 31-1, 31-2 est réalisé de manière à diminuer au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la pièce 30. Ainsi dans l'exemple illustré chaque élément de maintien 31-1, 31-2 est réalisé de manière à présenter une forme de biseau, les biseaux se rapprochant l'un de l'autre au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la pièce 30.

En outre, afin de limiter les mouvements des capteurs 40 de mesure positionnés dans le logement 32, un adhésif 50, par exemple une colle céramique peut éventuellement, mais non-nécessairement, être déposé dans le logement 32 de manière à combler l'espace résiduel existant entre les deux éléments de maintien 31-1, 31-2 et la surface 30- 1.

La figure 6 montre une photographie d'une partie d'une pièce en matériau composite comprenant un élément de maintien 31-1 ou 31-2 constitutif de l'organe de maintien 31. Cette pièce a été obtenue par co- densification d'une préforme élémentaire de l'organe de maintien 31 avec une préforme de la pièce 30 composite. Comme il peut être observé, on constate une co-infiltration entre l'élément de maintien et la surface sous- jacente, permettant ainsi d'améliorer la tenue de l'organe de maintien sur la pièce composite par comparaison avec l'état de l'art existant.

Deux plaques munies d'organes de maintien 11, 31 et formées d'un même matériau composite, ici en carbone renforcé par fibres de carbones (C/C), ont été fabriquées selon le procédé précédemment décrit en vue d'essais mécaniques. Une première plaque, désignée ci-dessous comme « plaque n°l » a directement été soumise à des efforts de cisaillements exercés à l'aide de moyens d'essai mécaniques. Une deuxième plaque, fabriquée de manière similaire à la plaque n°l et désignée ci-dessous comme « plaque n°2 » a été soumise à un choc thermique à 1400°C et a ensuite subi des efforts de cisaillement similaires à ceux de la plaque n°l. Les contraintes de cisaillement ont été appliquées de sorte à identifier les seuils conduisant à l'arrachement des organes de maintien 11, 31 des plaques n°l et n°2. Le tableau ci-dessous, fournit les valeurs de seuils de rupture qui ont été mesurées pour obtenir l'arrachage des organes de maintien 11, 31 des plaques n°l et n°2.

Conditions

Effort de cisaillement (daN) d'essais

Organe de Plaque n°l 43

maintien 11 Plaque n°2 44

Organe de Plaque n°l 59,5

maintien 31 Plaque n°2 50 D'une manière générale, on observe que l'application du choc thermique sur la plaque n°2 a eu un faible impact sur les seuils mesurés par comparaison avec la plaque n°l qui n'a pas subi un tel choc thermique. Les organes de maintien 11 et 31 présentent par ailleurs une résistance aux efforts de cisaillement très satisfaisante. En effet, les efforts de cisaillement nécessaires pour arracher les organes de maintien 11, 31 des plaques n°l et n°2 s'avèrent environ dix fois supérieurs à des seuils mesurés par le passé pour lesquels des organes de maintien de capteurs étaient fixés à une plaque par l'intermédiaire d'une colle céramique. On observe en outre que les organes de maintien 31 semblent présenter une résistance aux efforts de cisaillement encore meilleure que les organes de maintien 11, qui présentent déjà une résistance très importante aux efforts de cissailement. Ainsi, les résultats obtenus confirment que la fabrication d'une pièce en matériau composite munie d'au moins un organe de maintien, obtenue par co-densification d'une préforme de la pièce avec au moins une préforme d'un organe de maintien, améliore considérablement la tenue du ou des organes de maintien solidarisés à la pièce composite.

Comme illustré sur la figure 7, le procédé décrit ci-dessus peut notamment s'appliquer à un divergent 100 de tuyère. Néanmoins, ce procédé est applicable à toute autre pièce composite, par exemple un carter aéronautique. Le divergent 100 illustré ici est une pièce en matériau composite munie d'une pluralité d'organes de maintien 11, 31 dans lesquels sont insérés un ou plusieurs capteurs 20, 40 de mesure. Les capteurs 20, 40 de mesure sont à titre d'exemple des capteurs de température, par exemple des thermocouples. Cependant, tout autre type de capteur de mesure destiné à instrumenter la pièce composite peut être utilisé, par exemple un capteur de pression ou de déformation.