Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice métallique renforcée avec des fibres courtes en SiC

Domaine Technique

La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces en matériau composite à matrice métallique dont le renfort fibreux est formé avec des fibres en carbure de silicium.

Technique antérieure

Les matériaux composites à matrice métallique (CMM) sont des matériaux constitués d'un renfort fibreux densifié par une matrice métallique ou en alliage métallique. Ces matériaux ont un haut niveau de performance en raideur et en résistance à haute température. Ils peuvent être utilisés en lieu et place d'alliages métalliques, leurs propriétés étant supérieures. Ainsi, à titre d'exemple, il est connu d'utiliser ces matériaux composites à matrice métallique par exemple pour la réalisation de disques de turboréacteur, d'arbres, d'entretoises, de renforts locaux de turbomachine.

Pour des applications aéronautiques, les matériaux composites à matrice métallique sont généralement réalisés à partir de fibres longues céramiques, par exemple en carbure de silicium (SiC), de diamètre compris entre 100 pm et 150 pm environ. Un renfort constitué de ces fibres peut être densifié avec une matrice métallique de titane pour former un CMM SiC/Titane ou avec une matrice métallique à base nickel pour former un CMM SiC/Nickel. Le CMM SiC/Titane est notamment utilisé pour fabriquer des anneaux aubagés monobloc (ANAM) présents dans les moteurs aéronautiques.

Si la technique de fabrication de pièces en CMM SiC/Titane à renfort à fibres longues est bien maîtrisée, l’élaboration de pièce en CMM SiC/Nickel est plus difficile à mettre en œuvre en raison de réactions chimiques massives et rédhibitoires entre la fibre SiC et la matrice à base nickel avec la formation de plusieurs espèces de carbures lors de la phase de consolidation à chaud du composite. Le document FR 3 036 409 divulgue un procédé de fabrication d’une pièce en CMM SiC/Nickel dans lequel une protection est réalisée sur la fibre SiC avant son recouvrement avec un alliage à base nickel et sa consolidation à chaud. Cette protection permet d’éviter toute réaction entre la fibre SiC et l’alliage à base nickel à toutes les étapes de fabrication de la pièce. La protection de la fibre est réalisée par un dépôt sur la fibre SiC d’une couche de tungstène ou d’alumine déposée par dépôt chimique en phase gazeuse CVD ou par dépôt plasma en phase gazeuse PVD. L’épaisseur de la couche de protection doit être suffisamment importante pour jouer son rôle de barrière anti-diffusion mais aussi suffisamment faible pour conserver l’intégrité de la couche et la flexibilité de la fibre SIC pour les étapes de fabrication ultérieures.

Malgré, leurs très bonnes propriétés mécaniques à haute température, les matériaux composites à matrice métallique utilisant des fibres SiC longues (CMM SiC/alliage métallique), comme les matériaux CMM SiC/Titane et CMM SiC/Nickel décrits précédemment, présentent un coût de fabrication élevé. En effet, les fibres SiC longues utilisées sont des filaments SiC CVD à âme carbone dont l’approvisionnement reste très onéreux et la quantité limitée.

L’utilisation de fibres SiC longues limitent en outre les géométries possibles pour les pièces fabriquées en CMM SiC/alliage métallique. Le CMM SiC/alliage métallique est principalement adapté pour la fabrication de pièces axisymétriques de type disque comportant un insert annulaire en CMM SiC/alliage métallique.

Enfin, le dépôt d’une barrière de diffusion sur des fibres SiC longues nécessite la mise en oeuvre de procédés de dépôt en continu qui sont complexes et coûteux.

Il serait donc souhaitable de disposer d’une solution permettant de fabriquer des pièces en CMM SiC/alliage métallique d’une manière plus économique et simplifiée.

Exposé de l’invention

La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique (CMM) comprenant les étapes suivantes : réalisation de fibres courtes de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique, les fibres courtes en carbure de silicium présentant une longueur comprise entre 0,1 mm et 1 mm et un diamètre inférieur à 20 pm, dépôt d’un revêtement sur les fibres courtes de carbure de silicium, préparation d’une matière première comprenant au moins les fibres courtes de carbure de silicium revêtues et une charge métallique, mise en forme de la matière première, et traitement thermique de la matière première de manière à obtenir une pièce en matériau CMM.

Comme expliqué en détails ci-après, le procédé de l’invention présente plusieurs avantages par rapport aux procédés de fabrication de pièces en matériau CMM de l’art antérieur. En particulier, le procédé de l’invention utilise un type de fibre SiC moins onéreux et disponible en quantités industrielles par comparaison avec des filaments SiC CVD à âme carbone habituellement utilisées dans la fabrication de pièces en matériau CMM. Le coût de fabrication d’une pièce en CMM avec le procédé de l’invention est donc réduit. En outre, les fibres courtes permettent la fabrication de pièces en CMM directement dans leur forme finale (« net shape ») ou quasi finale (« near net shape »). Les fibres courtes SiC permettent d’obtenir un matériau CMM qui présente une bonne rigidité à haute température.

L’utilisation de tels fibres courtes permet d’accéder à des procédés d’élaboration plus conventionnels notamment de type métallurgie et, par conséquent, moins onéreux que ceux utilisés pour la réalisation de pièces en matériau CMM à partir de fibres longues.

Selon un deuxième aspect du procédé de l’invention, la préparation de la matière première comprend l’ajout d’une charge de carbure de silicium avec les fibres courtes de carbure de silicium revêtues et la charge métallique. Cela permet d’augmenter encore la rigidité à haute température du matériau CMM, et ce avec une matière SiC encore moins onéreuse que les fibres.

Selon un troisième aspect du procédé de l’invention, la charge métallique présente dans la matière première contient du titane, l’étape de dépôt d’un revêtement sur les fibres courtes de carbure de silicium et sur les particules de la charge de carbure de silicium lorsqu’elle est présente comprenant le dépôt d’un revêtement carbone réalisé par dépôt chimique en phase gazeuse CVD en lit fluidisé, le revêtement carbone ayant une épaisseur comprise entre 0,1 micron et 1 micron.

Selon un quatrième aspect du procédé de l’invention, la charge métallique présente dans la matière première contient du nickel, l’étape de dépôt d’un revêtement sur les fibres courtes de carbure de silicium et sur les particules de la charge de carbure de silicium lorsqu’elle est présente comprenant le dépôt d’un revêtement tungstène ou alumine par sels fondus ou par dépôt chimique en phase gazeuse CVD en lit fluidisé, le revêtement tungstène ou alumine ayant une épaisseur comprise entre 0,1 micron et 1 micron, ou le dépôt d’un revêtement alumine par dépôt chimique en phase gazeuse CVD en lit fluidisé, le revêtement alumine ayant une épaisseur comprise entre 0,1 micron et 1 micron.

Selon un cinquième aspect du procédé de l’invention, la préparation de la matière première est réalisée par formulation d’une matière première comprenant les fibres courtes de carbure de silicium, la charge métallique, la charge de carbure de silicium et un ou plusieurs liants polymériques et par transformation de la formulation de la matière première en fils ou granules, la mise en forme de la matière première étant réalisée par fabrication additive de type dépôt de fil fondu, FFF ou FDM, le traitement thermique de la matière première étant réalisé par frittage par pressage isostatique à chaud ou par frittage flash ou SPS.

Selon un sixième aspect du procédé de l’invention, la préparation de la matière première est réalisée par formulation d’une matière première comprenant les fibres courtes de carbure de silicium, la charge métallique, la charge de carbure de silicium et un ou plusieurs liants polymériques, la mise en forme de la matière première étant réalisée par moulage par injection de poudre, le traitement thermique de la matière première étant réalisé par frittage par pressage isostatique à chaud ou par frittage flash ou SPS.

Selon un septième aspect du procédé de l’invention, dans lequel la préparation de la matière première est réalisée par mélangeage des fibres courtes de carbure de silicium, de la charge métallique et de la charge de carbure de silicium, la mise en forme de la matière première étant réalisée par moulage et compaction du mélange obtenu dans un moule en graphite, le traitement thermique de la matière première étant réalisé par frittage flash ou SPS ou par frittage par pressage isostatique à chaud.

Selon un huitième aspect du procédé de l’invention, la réalisation de fibres courtes de carbure de silicium comprend le broyage de chutes de fils ou tissu de carbure de silicium ou la découpe de chutes de fil.

Brève description des dessins

[Fig. 1 ] La figure 1 est un ordinogramme montrant les étapes d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique selon l’invention,

[Fig. 2] La figure 2 est un premier exemple de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique avec le procédé de l’invention,

[Fig. 3] La figure 3 est un deuxième exemple de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique avec le procédé de l’invention,

[Fig. 4] La figure 4 est un troisième exemple de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique avec le procédé de l’invention,

[Fig. 5] La figure 5 est un quatrième exemple de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique avec le procédé de l’invention,

[Fig. 6] La figure 6 est un cinquième exemple de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique avec le procédé de l’invention,

[Fig. 7] La figure 7 est un sixième exemple de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique avec le procédé de l’invention.

Description des modes de réalisation

Comme représenté sur la figure 1 , le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique selon l’invention débute par la réalisation de fibres courtes de carbure de silicium (SiC) (étape S1 ). Conformément à l’invention, le procédé de l’invention utilise des fibres SiC stoechiométriques présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique, ce qui correspond à un type de fibre SiC bon marché et disponible en quantités industrielles par comparaison avec des filaments SiC CVD à âme carbone habituellement utilisées dans la fabrication de pièces en matériau composite à matrice métallique (CMM). Les fibres en carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique peuvent par exemple être des fibres fournies sous la dénomination « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise NGS. Ces fibres sont dans la suite dénommées « fibres courtes SiC ».

De manière avantageuse, les fibres courtes SiC peuvent être fabriquées à partir de chutes de fil, par exemple des fins de bobines, ou de tissu SiC, ce qui réduit encore le coût d’approvisionnement des fibres SiC. Plus précisément, des fibres courtes SiC peuvent être fabriquées par broyage de chutes de fil ou de tissu SiC ou par découpe de chutes de fil SiC.

Les fibres courtes SiC présentent ici une longueur comprise entre 0,1 mm et 1 mm et un diamètre inférieur à 20 pm. L’utilisation de fibres courtes SiC permet d’accéder à des procédés de revêtement (protection du SiC) et d’élaboration de pièces en CMM moins onéreux que ceux utilisés pour la réalisation de pièces en CMM à partir de fibres longues (longueur infinie et diamètre compris entre 100 pm et 200 |im). En outre, les fibres courtes SiC permettent la fabrication de pièces en CMM directement dans leur forme finale (« net shape ») ou quasi finale (« near net shape »).

Les fibres courtes SiC utilisées présentent de préférence un rapport longueur sur diamètre L/d supérieur à 10, ce qui permet d’avoir un meilleur transfert de charge et d’obtenir un bon effet de renforcement avec les fibres courtes.

Les fibres courtes permettent d’avoir un renforcement isotrope ou isotrope transverse qui permet d'améliorer la tenue au fluage de la matrice métallique de la pièce. On améliore ainsi la rigidité de la pièce en CMM à haute température.

Le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique selon l’invention se poursuit par le dépôt d’un revêtement de protection sur les fibres courtes SiC afin d’éviter toute réaction avec le SiC des fibres et le métal ou l’alliage métallique utilisé pour former la matrice métallique du matériau de la pièce (étape S2).

La formation d’un tel revêtement de protection sur des fibres longues utilisées dans l’art antérieur nécessite d’utiliser des procédés de dépôt en continu qui sont complexes et coûteux à mettre en oeuvre. Au contraire, le dépôt d’un revêtement de protection sur des fibres courtes peut être réalisé avec des procédés industriels plus simples et moins onéreux dont certains exemples sont donnés ci-après.

Par exemple, lorsqu’on souhaite déposer un revêtement carbone sur les fibres courtes SiC afin d’éviter toute réaction avec du titane, le dépôt de ce revêtement sur les fibres courtes peut être réalisé par dépôt chimique en phase gazeuse CVD en lit fluidisé qui est simple à mettre en oeuvre et qui permet de déposer un revêtement carbone ayant une épaisseur comprise entre 0,1 micron et 1 micron sur l’ensemble des fibres courtes en même temps, et ce de manière homogène sur l’intégralité des surfaces développées par les fibres (parties circulaires et cylindriques des fibres).

De même, lorsqu’on souhaite déposer un revêtement tungstène ou alumine sur les fibres courtes SiC afin d’éviter toute réaction avec du nickel, le dépôt de tungstène sur les fibres courtes peut être réalisé par sels fondus ou dépôt chimique en phase gazeuse CVD en lit fluidisé à base de précurseurs chlorés ou organométalliques et le dépôt d’alumine par dépôt chimique en phase gazeuse CVD en lit fluidisé. Ces deux procédés de dépôt sont simples à mettre en oeuvre et permettent de déposer un revêtement tungstène ou alumine ayant une épaisseur comprise entre 0,1 micron et 1 micron sur l’ensemble des fibres courtes en même temps.

On procède ensuite à la préparation d’une matière première comprenant au moins les fibres courtes de carbure de silicium revêtues et une charge métallique destinée à former la matrice (étape S3). La matière première peut en outre comprendre un liant comme décrit ci-après. Dans ce cas, la matière première peut être qualifiée de « feedstock ». Dans l’autre cas, c’est-à-dire lorsque la matière première ne contient pas de liant, celle-ci peut être qualifiée de mélange intime de poudres.

Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la préparation de la matière première comprend l’ajout d’une charge ou poudre de particules de carbure de silicium avec les fibres courtes de carbure de silicium et la charge métallique. Dans ce cas, comme pour les fibres courtes SiC, on dépose également un revêtement de protection sur les particules de SiC lors de l’étape S2 afin d’éviter toute réaction avec le SiC des particules et le métal ou l’alliage métallique utilisé pour former la matrice métallique du matériau de la pièce. L’ajout d’une charge SiC permet d’accroître encore la rigidité du matériau CMM à haute température avec une matière encore moins onéreuse que la fibre SiC. La charge SiC améliore en outre la mise en œuvre des procédés de dépôt de revêtement de protection et d’élaboration de la matière première (« feedstock >>).

La préparation de la matière première peut être réalisée de plusieurs manières. Elle peut notamment être réalisée par formulation d’une matière première comprenant les fibres courtes SiC revêtues d’une couche de protection, la charge métallique précurseur de matrice, la charge de SiC revêtue d’une couche de protection et un ou plusieurs liants polymériques (« feedstock >>).

La matière première peut être également réalisée par mélangeage des fibres courtes de carbure de silicium, de la charge métallique et de la charge de carbure de silicium (mélange intime de poudres).

La matière première peut encore être obtenue par formulation d’une matière première comprenant les fibres courtes de carbure de silicium, la charge métallique, la charge de carbure de silicium et un ou plusieurs liants polymériques et par transformation de la formulation de la matière première en fils ou granules

(« feedstock >>). La matière première transformée est dans ce cas apte à être utilisée avec des procédés de fabrication additive ou directe comme le moulage par injection de poudre (MIM).

Une fois la matière première élaborée, celle-ci est mise en forme à la géométrie de la pièce à réaliser (étape S4). Dans le cas où la matière première est réalisée par mélangeage, la mise en forme est réalisée par moulage et compaction du mélange obtenu dans un moule en graphite. Selon une autre caractéristique particulière, lorsque la matière première est réalisée par formulation, la mise en forme de la matière première présente sous forme de granules peut-être réalisée par moulage par injection de poudre (MIM). Toujours selon une autre caractéristique particulière, lorsque la matière première est réalisée par formulation et transformation en fils ou granules, la mise en forme de la matière première peut-être réalisée par fabrication additive ou impression 3D de type dépôt de fil fondu (DFF) ou « Fused deposition modeling » (FDM) ou encore « Fused Filament Fabrication ».

La préforme de pièce ainsi formée est alors soumise à au moins un traitement thermique afin de transformer la charge métallique en matrice et d’obtenir une pièce en matériau composite à matrice métallique (étape S5). Le traitement thermique peut notamment être réalisé par frittage par pressage isostatique à chaud, frittage flash ou SPS (« Spark Plasma Sintering >>). Dans le cas où la matière première comprend un liant, une étape de déliantage est nécessaire avant l’étape de traitement thermique afin d’éliminer la matière organique présente.

A l’issue du traitement thermique, on obtient une pièce en matériau composite à matrice métallique qui présente sa forme finale (« net shape ») ou quasi finale (« near net shape »). Un usinage de finition de la pièce en CMM ainsi obtenue peut être éventuellement réalisé pour éliminer des défauts de surface (étape S6).

La charge métallique présente dans la matière première peut notamment contenir du titane de manière à former une pièce en matériau composite à matrice titane SiC/Ti, du nickel de manière à former une pièce en matériau composite à matrice nickel SiC/Ni ou de l’aluminium de manière à former une pièce en matériau composite à matrice aluminium SiC/AI.

On décrit maintenant plusieurs exemples de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice métallique avec le procédé de l’invention. Ces exemples ne sont pas limitatifs du procédé de l’invention.

Exemple 1 :

Comme illustré sur la figure 2, une pièce en matériau composite à matrice titane est réalisée en mettant en oeuvre les étapes S21 à S27 suivantes :

- étape S21 : réalisation de fibres courtes SiC par broyage de tissu SiC ou découpe de chutes de fil SiC,

- étape S22 : dépôt chimique en phase gazeuse en lit fluidisé de carbone sur un mélange composé des fibres courtes SiC et d’une charge de particules SiC,

- étape S23 : formulation d’une matière première ou « feedstock » comprenant les fibres courtes de carbure de silicium, une charge de titane, la charge de carbure de silicium et un ou plusieurs liants polymériques,

- étape S24 : mise en forme de la matière première par moulage par injection de poudre (MIM),

- étape S25 : élimination du ou des liants polymériques dans la préforme de pièce,

- étape S26 : frittage par pressage isostatique à chaud de la préforme déliantée, - étape S27 : usinage de finition de la pièce en matériau composite à matrice titane.

Exemple 2 :

Comme illustré sur la figure 3, une pièce en matériau composite à matrice titane est réalisée en mettant en oeuvre les étapes S31 à S35 suivantes :

- étape S31 : réalisation de fibres courtes SiC par broyage de tissu SiC ou découpe de chutes de fil SiC,

- étape S32 : dépôt chimique en phase gazeuse en lit fluidisé de carbone sur un mélange composé des fibres courtes SiC et d’une charge de particules SiC,

- étape S33 : fabrication d’une matière première ou mélange intime par mélangeage des fibres courtes de carbure de silicium, de la charge de carbure de silicium et d’une charge de titane,

- étape S34 : mise en forme de la matière première dans un moule en graphite,

- étape S35 : frittage flash ou SPS ou frittage par pressage isostatique à chaud,

- étape S36 : usinage de finition de la pièce en matériau composite à matrice titane.

Exemple 3 :

Comme illustré sur la figure 4, une pièce en matériau composite à matrice titane est réalisée en mettant en oeuvre les étapes S41 à S48 suivantes :

- étape S41 : réalisation de fibres courtes SiC par broyage de tissu SiC ou découpe de chutes de fil SiC,

- étape S42 : dépôt chimique en phase gazeuse en lit fluidisé de carbone sur un mélange composé des fibres courtes SiC et d’une charge de particules SiC,

- étape S43 : formulation d’une matière première ou « feedstock » comprenant les fibres courtes de carbure de silicium, une charge de titane, la charge de carbure de silicium et un ou plusieurs liants polymériques,

- étape S44 : transformation de la formulation de matière première en granules

- étape S45 : mise en forme de la matière première par fabrication additive FFF, - étape S46 : élimination du ou des liants polymériques dans la préforme de pièce,

- étape S47 : frittage par pressage isostatique à chaud ou par frittage flash ou SPS de la préforme,

- étape S48 : usinage de finition de la pièce en matériau composite à matrice titane.

Exemple 4 :

Comme illustré sur la figure 5, une pièce en matériau composite à matrice nickel est réalisée en mettant en oeuvre les étapes S51 à S57 suivantes :

- étape S51 : réalisation de fibres courtes SiC par broyage de tissu SiC ou découpe de chutes de fil SiC,

- étape S52 : dépôt chimique en phase gazeuse en lit fluidisé de tungstène sur un mélange composé des fibres courtes SiC et d’une charge de particules SiC,

- étape S53 : formulation d’une matière première ou « feedstock » comprenant les fibres courtes de carbure de silicium, une charge d’alliage de nickel, la charge de carbure de silicium et un ou plusieurs liants polymériques,

- étape S54 : mise en forme de la matière première par moulage par injection de poudre (MIM),

- étape S55 : élimination du ou des liants polymériques dans la préforme de pièce,

- étape S56 : frittage par pressage isostatique à chaud ou par frittage flash ou SPS de la préforme déliantée,

- étape S57 : usinage de finition de la pièce en matériau composite à matrice nickel.

Exemple 5 :

Comme illustré sur la figure 6, une pièce en matériau composite à matrice nickel est réalisée en mettant en oeuvre les étapes S61 à S65 suivantes :

- étape S61 : réalisation de fibres courtes SiC par broyage de tissu SiC ou découpe de chutes de fil SiC, - étape S62 : dépôt chimique en phase gazeuse en lit fluidisé de tungstène sur un mélange composé des fibres courtes SiC et d’une charge de particules SiC,

- étape S63 : fabrication d’une matière première ou mélange intime par mélangeage des fibres courtes de carbure de silicium, de la charge de carbure de silicium et d’une charge d’alliage de nickel,

- étape S64 : mise en forme de la matière première dans un moule en graphite,

- étape S65 : frittage flash ou SPS,

- étape S36 : usinage de finition de la pièce en matériau composite à matrice nickel.

Exemple 6 :

Comme illustré sur la figure 7, une pièce en matériau composite à matrice nickel est réalisée en mettant en oeuvre les étapes S71 à S78 suivantes :

- étape S71 : réalisation de fibres courtes SiC par broyage de tissu SiC ou découpe de chutes de fil SiC,

- étape S72 : dépôt chimique en phase gazeuse en lit fluidisé de tungstène sur un mélange composé des fibres courtes SiC et d’une charge de particules SiC,

- étape S73 : formulation d’une matière première ou « feedstock » comprenant les fibres courtes de carbure de silicium, une charge d’alliage de nickel, la charge de carbure de silicium et un ou plusieurs liants polymériques,

- étape S74 : transformation de la formulation de matière première en granules

- étape S75 : mise en forme de la matière première par fabrication additive FFF,

- étape S76 : élimination du ou des liants polymériques dans la préforme de pièce,

- étape S77 : frittage par pressage isostatique à chaud de la préforme,

- étape S78 : usinage de finition de la pièce en matériau composite à matrice nickel.