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Title:
METHOD FOR PRODUCING AN AERODYNAMIC PART BY OVERMOULDING A CERAMIC SHELL ONTO A COMPOSITE PREFORM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/053751
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for producing an aerodynamic part comprising: - producing a preform (300) from a composite material made of a fibrous structure densified by a matrix, said preform having dimensions smaller than those of the aerodynamic part to be produced, - placing the preform made from composite material into a mould (400) having the same internal dimensions and shape as those of the aerodynamic part to be produced, - interposing a ceramic powder (50) between the preform made from composite material and the internal surface (402a) of the mould, said ceramic powder having a thermal expansion coefficient varying, at most, by 4.10"6.K_1 relative to the thermal expansion coefficient of the composite material of the preform, said ceramic powder further having a particle size of between 0.25 µm and 25 µm, - stabilising said powder in such a way as to form, around the preform made from composite material, a ceramic shell having the dimensions and the shape of the aerodynamic part to be produced.

Inventors:
DISS, Pascal (49 rue des Graves, Le Haillan, Le Haillan, F-33185, FR)
BOUILLON, Eric (33 rue des Graves, Le Haillan, Le Haillan, F-33185, FR)
LAFOND, André (11 bis, rue Antoine Thierrée, Saint Medard En Jalles, F-33160, FR)
BOURGEON, Michel (14 rue des Frères Lumière, Saint Medard En Jalles, Saint Medard En Jalles, F-33160, FR)
Application Number:
FR2013/052302
Publication Date:
April 10, 2014
Filing Date:
September 27, 2013
Export Citation:
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Assignee:
HERAKLES (Les Cinq Chemins, Rue de Touban, Le Haillan, F-33185, FR)
International Classes:
C04B35/80; B28B19/00; C04B41/00; C04B41/45; C04B41/52; C04B41/87; C04B41/89; F01D5/28
Domestic Patent References:
WO2012076797A1
WO2010063946A1
WO2010061140A1
Foreign References:
FR2966455A1
US20060141154A1
US20060141154A1
FR2401888A1
US5246736A
US5965266A
US6068930A
US6291058B1
Attorney, Agent or Firm:
DESORMIERE, Pierre-Louis et al. (CABINET BEAU DE LOMENIE, 158 Rue de l'Université, Paris Cedex 07, F-75340, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une pièce aérodynamique comprenant :

- la réalisation d'une préforme en matériau composite à partir d'une structure fibreuse densifiée par une matrice, ladite préforme présentant des dimensions inférieures à celles de la pièce aérodynamique à réaliser,

- le placement de la préforme en matériau composite dans un moule présentant des dimensions et une forme internes correspondant à celles de la pièce aérodynamique à réaliser,

- l'interposition d'une poudre céramique entre la préforme en matériau composite et la surface interne du moule, ladite poudre céramique ayant un coefficient de dilatation thermique variant au plus de 4.10~6.K~1 par rapport au coefficient de dilatation thermique du matériau composite de la préforme, ladite poudre céramique présentant en outre une granulométrie comprise entre 0,25 pm et 25 μιτι,

- la stabilisation de ladite poudre de manière à former autour de la préforme en matériau composite une enveloppe céramique aux dimensions et à la forme de la pièce aérodynamique à réaliser.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la stabilisation de la poudre céramique est réalisée par frittage flash. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on choisit une composition de poudre céramique ayant une température de frittage flash au maximum supérieure de 250°C à la température de stabilité thermique des fibres de la préforme en matériau composite. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interposition de la poudre céramique est obtenue en réalisant un mélange de ladite poudre céramique avec un liant et en injectant le mélange entre la préforme et la surface interne du moule et en ce que la stabilisation de ladite poudre est réalisée par infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liant est choisi parmi au moins : un composé organosilicié et une résine fugitive. 6. Procédé selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que, avant l'injection du mélange de liant et de poudre céramique, on dispose un mat de fibres céramiques autour de la préforme fibreuse.

7. Procédé selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le mélange de liant et de poudre céramique comprend en outre des fibres céramiques.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la poudre céramique comprend des nanopoudres.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce aérodynamique est une aube fixe ou mobile de turbomachine. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la préforme est réalisée en matériau composite à matrice céramique (CMC).

Description:
Procédé de fabrication d'une pièce aérodynamique par surmoulage d'une enveloppe céramique sur une préforme composite Arrière-plan de l'invention

La présente invention concerne les pièces aérodynamiques réalisées en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice.

Dans les moteurs aéronautiques et en particulier dans les turbines à gaz de tels moteurs, les pièces présentant des formes aérodynamiques, comme les aubes, sont habituellement réalisées en alliages métalliques selon un procédé de fonderie et des usinages locaux.

Afin de réduire de façon significative la masse et admettre des températures de fonctionnement plus élevées que celles autorisées avec les alliages métalliques actuels, une solution pour la réalisation des aubes consiste à utiliser des matériaux composites, comme par exemple des matériaux composites à matrice céramique.

En effet, les matériaux composites à matrice céramique (CMC) font partie des matériaux composites dits thermostructuraux, c'est-à-dire des matériaux composites ayant des bonnes propriétés mécaniques et une capacité à conserver ces propriétés à température élevée. En outre, des pièces, telles que des aubes, réalisées en CMC présentent un gain de masse significatif par rapport à de mêmes pièces réalisées avec les alliages métalliques habituels.

De façon bien connue, les pièces en CMC sont formées par un renfort fibreux en fibres réfractaires (carbone ou céramique) qui est densifié par une matrice céramique, notamment carbure, nitrure, oxyde réfractaire,.... Des exemples typiques de matériaux CMC sont les matériaux C-SiC (renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de silicium), les matériaux SiC-SiC et les matériaux C-C/SiC (matrice mixte carbone/carbure de silicium). La fabrication de pièces en composite CMC est bien connue.

Cependant, les pièces en CMC présentent un aspect de surface ondulé et relativement rugueux qui peut s'avérer incompatible avec les performances aérodynamiques requises pour des pièces telles que des aubes. L'ondulation de surface est due au renfort fibreux tandis que la rugosité est liée à la matrice céramique en "seal-coat", en particulier lorsque celle-ci est déposée par infiltration chimique en phase vapeur (CVI).

A l'inverse, les pièces réalisées en alliages métalliques et par les procédés associés présentent un aspect de surface lisse avec une rugosité très faible (de l'ordre de 1 pm).

Afin d'améliorer l'état de surface des pièces réalisées en matériau composite, une première solution consiste à procéder à un usinage complet du profil de la pièce afin de limiter l'ondulation liée à la texture. Cependant, cette opération ne permet de résoudre que très partiellement le problème d'ondulation et n'est pas compatible avec une production série de pièces. En outre, l'usinage conduit à la coupure en surface de fils du renfort et réduit, par conséquent, les performances mécaniques de la pièce.

Une autre solution pour améliorer l'état de surface d'une pièce en matériau composite consiste à déposer sur la surface de celle-ci un revêtement remplissant les conditions suivantes :

a) adhérence sur le matériau composite de la pièce,

b) compatibilité avec le coefficient de dilatation thermique du matériau composite de la pièce,

c) stabilité en conditions d'utilisation,

d) température de mise en forme compatible avec la thermostabilité du matériau composite de la pièce.

Cette solution est mise œuvre en appliquant au pinceau à la surface de la pièce en matériau composite une suspension à base de poudre de céramique, par exemple du SiC, et d'un liant organosilicié afin de former un revêtement céramique sur la surface de la pièce. Cependant, si cette mise en œuvre est compatible avec les conditions énoncées ci- avant, son inconvénient majeur réside dans la complexité du procédé de mise en forme. En effet, l'application étant réalisée au pinceau, une étape de ponçage est nécessaire après la réticulation du liant afin de gommer les imperfections laissées lors de l'application du revêtement. Cette étape de ponçage s'avère particulièrement délicate sur des pièces non planes, nécessitant, à ce stade, de réaliser l'opération manuellement. En outre, afin de limiter la formation de bulles ou de craquelures, seul un dépôt fin peut être appliqué. Ainsi, pour atteindre l'état de surface désiré, il peut s'avérer nécessaire de répéter plusieurs fois les séquences peinture/réticulation/ponçage (jusqu'à 5 fois). Enfin, afin d'assurer la cohésion du revêtement lors de son utilisation, il est nécessaire de stabiliser celui-ci, en réalisant, en dernier, une étape de densification par infiltration chimique en phase vapeur (CVI) de SiC qui permet de lier entre eux les grains de céramique. Un tel procédé de traitement de surface de pièce en CMC est décrit dans le document US 2006/0141154.

Bien que ce procédé permette d'améliorer significativement l'état de surface d'une pièce en matériau composite en réduisant les ondulations et la rugosité de surface, la complexité de sa mise en œuvre entraîne une augmentation importante sur le coût et la durée de fabrication de la pièce.

Obiet et résumé de l'invention

La présente invention a, par conséquent, pour but de proposer un procédé permettant de fabriquer, de manière industrielle et économique, des pièces intégrant les propriétés mécaniques des matériaux composites tout en respectant les exigences de forme et de performances aérodynamiques.

A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une pièce aérodynamique comprenant :

- la réalisation d'une préforme en matériau composite à partir d'une structure fibreuse densifiée par une matrice, ladite préforme présentant des dimensions inférieures à celles de la pièce aérodynamique à réaliser,

- le placement de la préforme en matériau composite dans un moule présentant des dimensions et une forme internes correspondant à celles de la pièce aérodynamique à réaliser,

- l'interposition d'une poudre céramique entre la préforme en matériau composite et la surface interne du moule,

- la stabilisation de ladite poudre de manière à former autour de la préforme en matériau composite une enveloppe céramique aux dimensions et à la forme de la pièce aérodynamique à réaliser, procédé dans lequel la poudre de céramique a un coefficient de dilatation thermique variant au plus de ± 4.10 "6 .K "1 par rapport au coefficient de dilatation thermique du matériau composite de la préforme, ladite poudre céramique présentant en outre une granulométrie comprise entre 0,25 μιη et 25 Mm.

Le procédé de l'invention permet d'obtenir une pièce aérodynamique qui comporte à la fois les fonctions structurales nécessaires grâce à sa préforme en matériau composite et les fonctions aérodynamiques grâce à l'état de surface maîtrisé de l'enveloppe céramique formée sur la préforme.

En outre, le surmoulage de la peau céramique sur la préforme en matériau composite de dimensions inférieures aux dimensions finales de la pièce à réaliser permet de réaliser, en un minimum d'étapes pouvant être mises en uvre industriellement, une fabrication dite « near net shape » de la pièce, c'est-à-dire l'obtention, immédiatement après le surmoulage de l'enveloppe céramique, d'une pièce à la forme et aux dimensions finales requises (pas de reprise de la pièce nécessaire).

Par ailleurs, l'utilisation d'une poudre céramique ayant un coefficient de dilatation thermique qui est suffisamment proche de celui du matériau composite de la pièce ainsi qu'une granulométrie déterminée comme ci-avant permet de former directement l'enveloppe céramique sur le matériau composite de la préforme. En effet, en outre d'un coefficient de dilatation thermique adapté, la poudre céramique présente une granulométrie comprise entre une valeur minimale (0,25 pm) et une valeur maximale (25 pm). Dans le cas d'une stabilisation de la poudre céramique par frittage flash, en-dessous de la valeur minimale de granulométrie déterminée, des phénomènes de ré-agglomérations prématurées peuvent se produire et conduire à la formation de particules de granulométrie trop élevée pour obtenir une enveloppe céramique avec une structure et un état de surface satisfaisants. Dans le cas d'une stabilisation par infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium, si la poudre présente une granulométrie inférieure à celle déterminée dans l'invention, il devient difficile pour les gaz d'infiltration de pénétrer la poudre, ce qui risque d'empêcher une bonne stabilisation de cette dernière. En outre, au-delà de la valeur de granulométrie maximale définie dans l'invention, la surface de contact entre les grains devient trop faible pour assurer une cohésion satisfaisante de l'enveloppe céramique formée. Dans le cas d'une stabilisation de la poudre céramique par frittage flash, une granulométrie trop élevée nécessite d'utiliser un budget thermique (couple température/durée) pour le frittage qui est incompatible avec le température de stabilité thermique des fibres du matériau composite de la préforme.

Grâce au procédé de l'invention, il est, par conséquent, possible de former directement une enveloppe céramique sur le matériau composite de la préforme, ce qui représente un avantage important en particulier dans le cas de la formation d'une telle enveloppe par surmoulage. En effet, afin d'assurer un bon accrochage du revêtement sur le substrat, une ou plusieurs sous-couches d'accrochage ou d'adaptation sont en général utilisées. Cependant, dans le cas du surmoulage, l'utilisation d'une ou plusieurs sous-couches est problématique en raison de la variabilité de l'état de surface de la préforme en matériau composite. En effet, il existe des risques de mise à nu de la ou les sous-couches à l'issue de l'opération de surmoulage car, dans certaines zones, l'épaisseur finale du revêtement, qui est comprise entre la surface externe de la préforme et la surface interne du moule, pourra être inférieure à l'épaisseur de la, ou les sous-couches, ne permettant pas la formation d'une enveloppe céramique dans ces zones.

Selon un premier aspect du procédé de l'invention, la stabilisation de la poudre céramique est réalisée par frittage flash. Dans ce cas, on choisit de préférence une composition de poudre céramique ayant une température de frittage flash au maximum supérieure de 250°C à la température de stabilité thermique des fibres de la préforme en matériau composite.

Selon un deuxième aspect du procédé de l'invention, l'interposition de la poudre céramique est obtenue en réalisant un mélange de ladite poudre céramique avec un liant et en injectant le mélange entre la préforme et la surface interne du moule, la stabilisation de la poudre étant réalisée par infiltration chimique en phase vapeur de carbure de silicium. Le liant peut être notamment choisi parmi au moins : un composé organosilicié et une résine fugitive.

Afin de renforcer la résistance mécanique de l'enveloppe céramique, on peut en outre disposer un mat de fibres céramiques autour de la préforme fibreuse avant l'injection du mélange de liant et de poudre céramique. Des fibres céramiques peuvent être également ajoutées au mélange de liant et de poudre céramique.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, la poudre céramique comprend des nanopoudres.

Selon un autre caractéristique particulière de l'invention, la préforme est réalisée en matériau composite à matrice céramique (CMC).

Selon un troisième aspect de l'invention, la pièce aérodynamique est une aube fixe ou mobile de turbomachine.

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 :

- la figure 1 est une vue en perspective d'une aube de turbomachine fabriquée à partir d'un procédé conforme à l'invention,

- la figure 2 est un ordinogramme illustrant des étapes successives de modes de mise en œuvre d'un procédé conforme à l'invention,

- la figure 3 est une vue en perspective de la préforme en matériau composite de l'aube de la figure 1,

- la figure 4 est vue tridimensionnelle montrant l'état de surface d'une portion d'une pièce en CMC sans traitement supplémentaire de surface,

- la figure 5 est une courbe de mesure des variations dimensionnelles de la portion de pièce de la figure 4,

- la figure 6 est une courbe de mesure des variations dimensionnelles à la surface d'un matériau métallique utilisé pour la réalisation d'aubes de moteur aéronautique, - les figures 7A et 7B sont des vues en perspective montrant le surmoulage d'une enveloppe céramique sur la préforme de la figure 3 par frittage flash,

- les figures 8A et 8B sont des photographies d'une préforme fibreuse sur laquelle une enveloppe céramique a été surmoulée suivant un procédé de l'invention,

- la figure 9 est un ordinogramme illustrant des étapes successives de modes de mise en œuvre d'un autre procédé conforme à l'invention,

- les figures 10 et 11 montrent des résultats obtenus après la formation d'une enveloppe céramique réalisée par surmoulage d'une poudre de céramique, la poudre ayant respectivement une granulométrie en dehors et à l'intérieur de la plage de granulométrie définie dans l'invention,

- les figures 12 et 13 montrent des résultats obtenus après la formation d'une enveloppe céramique réalisée par surmoulage d'une poudre de céramique, la poudre ayant respectivement une granulométrie en dehors et à l'intérieur de la plage de granulométrie définie dans l'invention

Description détaillée de modes de réalisation

La présente invention propose un procédé pour la fabrication de pièces aérodynamiques. Le procédé de l'invention concerne en particulier, mais non exclusivement, la fabrication d'aubes pour rotors ou roues fixes de turbines à gaz utilisées dans les moteurs aéronautiques ou turbines industrielles. Conformément à l'invention et comme décrit en détails ci- après, chaque pièce aérodynamique est réalisés à partir d'une préforme en matériau composite (renfort fibreux densifié par une matrice) présentant des dimensions inférieures à celles de la pièce à réaliser et recouverte par une enveloppe céramique présentant les dimensions finales de la pièce aérodynamique. L'enveloppe céramique est obtenue par moulage et stabilisation/densification d'une poudre céramique autour de la préforme de la pièce. Par « poudre céramique », on entend ici une poudre contenant au moins un ou plusieurs constituants de la céramique de l'enveloppe à former sur la préforme. La poudre céramique pouvant être en outre mélangée avec d'autres éléments se présentant notamment sous forme de grains, de liquide ou de fibres.

La figure 1 illustre une aube 100 de roue mobile de turbine basse pression (BP) qui comprend une pale 120 et un pied 130 formé par une partie de plus forte épaisseur, par exemple à section en forme de bulbe, prolongé par une échasse 132. La pale 120 s'étend en direction longitudinale entre son pied 130 et son sommet 121 et présente en section transversale un profil incurvé d'épaisseur variable délimitant deux faces 122 et 123, correspondant respectivement à l'extrados et à l'intrados de la pale 120 et reliant chacune le bord d'attaque 120a et le bord de fuite 120b de cette dernière. Dans l'exemple décrit ici, la pale 120 comprend en outre une plateforme d'aube 140 et un talon d'aube 160. Conformément à l'invention, l'aube 100 est formée d'une préforme 300 en matériau composite, c'est-à-dire comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, la préforme 300 étant en outre recouverte par une enveloppe céramique 150 définissant la forme et les dimensions exactes de l'aube.

En référence à la figure 2, un procédé de fabrication de l'aube de la figure 1 conforme à l'invention, comprend les étapes suivantes.

La fabrication de l'aube débute par la fourniture d'une structure fibreuse à partir de laquelle sera formée une préforme en matériau composite dont la forme est voisine de celle de l'aube à fabriquer mais dont les dimensions sont inférieures aux dimensions finales de l'aube à réaliser (étape 10).

La structure fibreuse peut être sous différentes formes, telles que :

- tissu bidimensionnel (2D),

- tissu tridimensionnel (3D) obtenu par tissage 3D ou multicouches,

- tresse,

- tricot,

- feutre,

- nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelle (nD) obtenue par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et liaison des nappes UD entre elles par exemple par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage. On peut aussi utiliser une structure fibreuse formée de plusieurs couches superposées de tissu, tresse, tricot, feutre, nappes ou autres, lesquelles couches sont liées entre elles par exemple par couture, par implantation de fils ou d'éléments rigides ou par aiguilletage.

Les fibres constitutives de la structure fibreuse sont des fibres réfractaires, c'est-à-dire des fibres en céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC), des fibres en carbone ou même encore des fibres en un oxyde réfractaire, par exemple en alumine (AI2O3).

Dans l'exemple décrit ici, la texture fibreuse est réalisée par tissage tridimensionnel ou multicouche en une seule pièce de fils de carbure de silicium tel que notamment décrit dans le document WO 2010/061140 et dont le contenu est incorporé ici par référence.

Une fois constituée, la texture fibreuse est mise en forme et consolidée par imprégnation de cette dernière avec une composition liquide contenant une résine de consolidation précurseur de céramique (étape 20).

A cet effet, la texture fibreuse est immergée dans un bain contenant la résine et habituellement un solvant de celle-ci. Après égouttage, un séchage est réalisé en étuve. Le séchage peut être accompagné d'une pré-réticulation ou réticulation partielle de la résine. Une telle pré-réticulation apportant une raideur supplémentaire, elle doit, si elle est réalisée, rester limitée pour préserver une déformabilité suffisante de la texture fibreuse.

D'autres techniques connues d'imprégnation peuvent être utilisées telles que préparation d'un pré-imprégné par passage de la texture fibreuse dans une imprégnatrice en continu, imprégnation par infusion, ou encore imprégnation par RTM ("Resin Transfer Moulding").

La résine de consolidation est choisie pour laisser, après pyrolyse, un résidu céramique suffisant pour assurer la consolidation de la préforme fibreuse réalisée ensuite.

Une résine précurseur de céramique peut être par exemple une résine polycarbosilane précurseur de carbure de silicium (SiC), ou une résine polysiloxane précurseur de SiCO, ou une résine polyborocarbosilazane précurseur de SiCNB, ou une résine polysilazane (SiCN). Après imprégnation, une préforme fibreuse destinée à constituer le renfort fibreux de la pièce à réaliser, et ayant une forme correspondant sensiblement à celle de cette pièce, est mise en forme par conformation de la texture fibreuse à l'aide d'un outillage de maintien.

La mise en forme de la préforme fibreuse est de préférence accompagnée d'un compactage de la structure fibreuse afin d'augmenter le taux volumique de fibres dans le matériau composite de la pièce à réaliser.

Après mise en forme de la préforme, la réticulation de la résine est réalisée, ou achevée s'il y a eu pré-réticulation, la préforme étant dans un outillage.

Ensuite, la consolidation est achevée par un traitement thermique de pyrolyse de la résine. La pyrolyse est réalisée à une température par exemple d'environ 900°C à 1000°C.

La consolidation peut être également réalisée par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI).

Après cette consolidation, la densification de la préforme fibreuse par une matrice céramique est poursuivie (étape 30).

La densification est avantageusement réalisée par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI), les paramètres du processus CVI et la nature de la phase gazeuse réactionnelle étant adaptés à la nature de la matrice à former. On peut ainsi enchaîner dans le même four les opérations de pyrolyse de la résine de consolidation et de densification.

La matrice céramique formée par CVI peut être une matrice SiC, ou une matrice au moins en partie auto-cicatrisante, telle qu'une matrice silicium-bore-carbone (Si-B-C) ou une matrice carbure de bore (B 4 C) ou encore une matrice séquencée avec des phases de matrices alternées en céramique non cicatrisante et en céramique cicatrisante. On pourra se référer notamment aux documents FR 2 401 888, US 5 246 736, US 5 965 266, US 6 068 930 et US 6 291 058.

La matrice céramique peut être déposée en plusieurs cycles d'infiltration successifs avec entre chaque cycle une opération d'usinage permettant de rouvrir la porosité du matériau en surface et de faciliter le dépôt de la matrice dans le renfort fibreux.

On obtient ainsi comme illustré sur la figure 3, une préforme

300 en matériau composite CMC (renfort fibreux densifié par une matrice au moins partiellement céramique) avec une partie 320 de préforme de pale, une partie 330 de préforme de pied (avec préforme d'échasse), une partie 340 de préforme de plateforme et une partie 350 de préforme de talon d'aube. Conformément au procédé de l'invention, la préforme 300 présente des dimensions inférieures à celle de l'aube 100 de la figure 1 à réaliser.

La figure 4 montre l'état de surface d'une portion d'une pièce en CMC réalisée à partir d'une texture fibreuse multicouche de tissage tridimensionnel de fibres de SiC (Guipex® base satin de 8) consolidée, mise en forme et densifiée suivant la méthode décrite ci-dessus. Comme mesurée sur la figure 5, la pièce présente en surface à la fois des ondulations de plus de 200 pm d'amplitude et un niveau de rugosité de l'ordre de 5 pm. Une telle irrégularité de surface ne peut vraisemblablement pas permettre d'utiliser la pièce telle quelle pour des applications aérodynamiques. Par comparaison, la figure 6 montre une mesure de l'état de surface d'une aube d'un étage basse pression d'un moteur aéronautique, celle-ci ayant été réalisée en matériau métallique. On remarque que cette aube ne comporte pas d'ondulation de surface et présente un niveau moyen de rugosité de l'ordre de 1 pm.

A cet effet et conformément au procédé de l'invention, on procède à la formation d'une enveloppe céramique autour de la préforme en matériau composite. Dans l'exemple décrit ici, l'enveloppe céramique est réalisée par frittage flash d'une poudre.

Comme illustré sur les figure 7 A et 7B, on place la préforme en matériau composite 300 dans un moule conducteur de frittage présentant des dimensions et une forme internes correspondant à celles de l'aube à réaliser avec interposition dans l'espace présent entre la préforme 300 et la surface interne du moule d'une poudre céramique (étapes 40 et 50). Plus précisément, la préforme en matériau composite 300 est tout d'abord placée dans une première moitié 401 du moule 400 de frittage sur un lit de poudre céramique 50 déposée sur la surface interne 401a de la première moitié 401 du moule (figure 7A), puis est recouverte sur sa face exposée de cette même poudre 50 avant fermeture de la deuxième moitié 402 du moule 400 (figure 7B). Les surfaces internes 401a et 402a du moule définissent, une fois les deux moitiés 401 et 402 du moule réunies, des dimensions et une forme correspondant à celles de l'aube à fabriquer. La poudre céramique 50 comprend un ou plusieurs constituants (mélange de poudres) de la céramique de l'enveloppe à réaliser et éventuellement d'autres éléments également sous forme de poudre tels que des agents de frittage.

La poudre 50 est ensuite stabilisée/densifiée par "frittage flash" ou "SPS" ("Spark Plasma Sintering"). La différence entre le pressage à chaud conventionnel (frittage standard) et le frittage flash réside dans le fait que la source de chaleur n'est pas externe mais qu'un courant électrique (continu - continu puisé - ou alternatif) appliqué via des électrodes passe à travers le moule conducteur. Le "frittage flash" consiste en un traitement thermique sous pression avec passage d'un courant électrique qui permet de consolider l'enveloppe par formation de liaisons entre grains sans fusion totale de ceux-ci. Cette soudure réalisée par diffusion de matière, s'accompagne d'une densification, c'est-à-dire d'une diminution du taux de porosité et d'un durcissement qui confère de la cohésion à l'enveloppe mise en forme. En outre, l'accrochage de l'enveloppe céramique sur la préforme en matériau composite est assurée par les réactions chimiques entre les oxydes formés pendant le frittage et le matériau de la préforme.

Un dispositif permettant de mettre en œuvre ce frittage flash est notamment commercialisé par la société Sumitomo Electric Industries et permet de soumettre la poudre 50 à des puises (3,3 ms) de courant électrique continu (typiquement 0-10 V, 1-5 kA) tout en appliquant une pression de plusieurs dizaines de MPa (jusqu'à 150 MPa) et ceci dans une gamme de températures variant de la température ambiante jusqu'à 2000°C. Les frittages flash sont généralement réalisés sous vide mais il est possible de travailler sous atmosphère inerte (azote, argon).

Un même cycle de frittage peut être pris comme référence pour la densification par frittage flash des diverses compositions du matériau réfractaire selon l'invention, seule la température finale de frittage est modifiée en fonction de la réfractarité des constituants à fritter.

Les paramètres de température choisis pour le cycle de frittage sont par exemple: une montée à 600°C en 3 minutes, suivie d'une montée à la température de frittage avec une vitesse de 100°C/min, puis un palier à cette température pendant 5 minutes et enfin une descente à 600°C en 30 minutes puis l'arrêt du chauffage. Durant le cycle, une pression de plusieurs dizaine de Pa est appliquée progressivement dès le début de la montée en température à 600°C pour refermer la majorité des pores restants et éviter une hétérogénéité de densification dans l'enveloppe après le frittage. Ainsi, dès le début du frittage, un matériau globalement dense peut être obtenu, pour lequel le contact entre les grains est optimal.

Le refroidissement contrôlé permet une relaxation des contraintes résiduelles d'origine thermique et d'éviter la présence de fissures et de microfissures dans le matériau.

Les moules utilisés sont de préférence en graphite et sont séparés de la poudre par une feuille de graphite pour éviter tout collage.

Le frittage flash permet d'abaisser d'une à plusieurs centaines de degré la température de frittage en comparaison avec un frittage standard (pressage à chaud conventionnel).

Conformément à l'invention et afin d'assurer un bon accrochage de l'enveloppe céramique directement sur la préforme en matériau composite, c'est-à-dire sans sous-couche entre la préforme et l'enveloppe, la poudre céramique utilisée pour former l'enveloppe présente une granulométrie comprise entre 0,25 μιη et 25 pm. En effet, une granulométrie trop fine peut provoquer des phénomènes de réagglomérations prématurées qui conduisent à la formation de particules de granulométrie trop élevée pour obtenir une enveloppe céramique avec une structure et un état de surface satisfaisants.

Par ailleurs, avec une granulométrie trop élevée, la surface de contact entre les grains de poudre est trop faible pour assurer une bonne cohésion du revêtement formé. En outre, si la taille des grains de poudre est trop importante, le budget thermique (i.e. couple température/durée) nécessaire pour réaliser le frittage risque d'être trop élevé et incompatible avec la température de stabilité thermique des fibres (thermostabilité) de la préforme en matériau composite, ce qui peut entraîner une dégradation thermique des fibres réduisant considérablement leurs propriétés mécaniques.

La composition de la poudre destinée à former l'enveloppe céramique autour de la préforme fibreuse est également choisie de manière à avoir une température de frittage compatible avec la température de stabilité thermique des fibres (thermostabilité) de la préforme en matériau composite.

Dans le cas du frittage flash, les montées en températures et les durées de frittage étant très brèves, il est possible d'utiliser des compositions de poudre ayant des températures de frittage pouvant dépasser de 250°C la température de stabilité des fibres de la préforme.

On choisit également une composition de poudre qui présente un coefficient de dilatation thermique voisin de celui du matériau composite de la préforme, à savoir, conformément à l'invention, une poudre ayant un coefficient de dilatation thermique variant au plus de 4.10 "6 K "1 par rapport au coefficient de dilatation thermique du matériau composite de la préforme. Dans le cas d'un frittage flash, on choisit de préférence une poudre ayant un coefficient de dilatation thermique variant au plus de 1,5.10 "6 K "1 par rapport au coefficient de dilatation thermique du matériau composite de la préforme, c'est-à-dire une poudre ayant un coefficient de dilatation thermique compris entre 3.10 "6 K "1 et 6.10 "6 K "1 .

Le tableau I ci-dessous donne des exemples de composition de poudre qui peuvent être utilisées pour la réalisation d'une enveloppe céramique par frittage flash, le tableau indiquant en outre les températures de frittage flash de ces compositions ainsi que les types de fibres SiC compatibles avec ces températures de frittage flash.

Tableau I

On notera que les compositions de poudre indiquées dans le tableau I présentent également un coefficient de dilatation thermique qui est relativement proche de celui du matériau CMC de la préforme.

A l'issue du frittage flash, on obtient une aube telle que l'aube 100 représentée sur la figure 1 comprenant âme en matériau composite correspondant à la préforme en matériau composite 300 décrite ci-avant et une enveloppe céramique 150 externe définissant la forme et les dimensions finales de l'aube.

Les figures 8A et 8B montrent une pièce 200 correspondant à la partie de pale d'une aube et dont la préforme fibreuse 210 a été recouverte par une enveloppe céramique 220 réalisée par frittage flash d'une poudre de Si/Mullite/BSAS comme expliqué ci-avant.

Afin de démontrer l'importance du choix de la granulométrie de la poudre céramique utilisée pour former l'enveloppe sur la préforme en matériau composite, des essais comparatifs ont été réalisés.

Le premier essai est illustré sur les figures 10 et 11 qui montrent le résultat obtenu après un frittage flash d'une couche de poudre de disilicate d'yttrium (Y2S12O7) réalisé à 1200°C sur un substrat en matériau composite CMC, la poudre utilisée pour former le revêtement de la figure 10 ayant une granulométrie (D50) de 30 pm tandis que la poudre utilisée pour former le revêtement de la figure 11 présente une granulométrie (D50) de 1 pm.

Comme on peut le voir très clairement sur la figure 10, le revêtement formé présente une décohésion continue avec le substrat en CMC qui résulte en un mauvais accrochage du revêtement sur le substrat. Des fissures sont en outre présentes dans le revêtement. Cette décohésion et ces fissures sont dues principalement à l'insuffisance de surface de contact entre les grains en raison du choix d'une granulométrie trop élevée (supérieure à 25 pm). Au contraire, le revêtement formé sur la figure 10 avec une poudre ayant une granulométrie de 1 pm, c'est-à-dire comprise entre 0,25 pm et 25 pm, ne présente pas de décohésion avec le substrat ni de fissures.

Le deuxième essai est illustré sur les figures 12 et 13 qui montrent le résultat obtenu après un frittage flash d'une couche de poudre de disilicate d'yttrium réalisé à 1200°C sur un substrat en matériau composite CMC, la poudre utilisée pour former le revêtement de la figure 10 ayant une granulométrie (D50) de 0,2 pm tandis que la poudre utilisée pour former le revêtement de la figure 11 présente une granulométrie (D50) de 0,5 pm.

Comme on peut le voir très clairement sur la figure 12, le revêtement formé présente une décohésion continue avec le substrat en CMC en raison de phénomènes de ré-agglomérations prématurées des grains pendant le frittage de grains d'une taille trop faible (inférieure à 0,25 pm). Au contraire, le revêtement formé sur la figure 13 avec une poudre ayant une granulométrie de 0,5 pm, c'est-à-dire comprise entre 0,25 m et 25 μητι, ne présente pas de décohésion avec le substrat ni de fissures.

Selon une variante de mise en œuvre du procédé selon l'invention décrite à la figure 9, on fabrique tout d'abord une préforme en matériau composite présentant des dimensions inférieures à celles de la pièce aérodynamique à former de la même façon que décrite ci-avant, à savoir formation d'une texture fibreuse (étape 110), consolidation et mise en forme de la texture fibreuse (étape 120) et densification de la préforme (étape 130). Dans cette variante de mise en œuvre, la préforme en matériau composite est placée dans un moule dont la surface interne correspond à la forme et aux dimensions finales de la pièce aérodynamique à réaliser (étape 130), la poudre céramique destinée à former l'enveloppe céramique n'étant pas encore présente dans le moule. Avant son introduction dans le moule, la poudre céramique est préalablement mélangée avec un liant (étape 140). Le mélange est alors injecté dans le moule afin de remplir l'espace présent entre la préforme en matériau composite et la surface interne du moule (étape 150). Pendant l'injection du mélange, la pièce est maintenue au centre du moule de préférence au niveau de portions sacrificielles ou ne participant à l'aérodynamisme de la pièce comme les portions d'extrémités.

Une fois le mélangé injecté, on procède à la réticulation du liant (étape 160). On démoule ensuite la pièce et on procède à la stabilisation de l'enveloppe céramique formée sur la préforme par infiltration chimique en phase vapeur (CVI) de SiC (étape 170), cette CVI permettant en outre d'assurer l'accrochage de l'enveloppe céramique sur la préforme en matériau composite.

Comme indiqué précédemment, on choisit une composition de poudre ayant un coefficient de dilatation thermique variant au plus de 4.10 "6 K "1 par rapport au coefficient de dilatation thermique du matériau composite de la préforme, c'est-à-dire compris entre 0,5.10 "6 K "1 et 8,5.10 " 6 K "1 , et une granulométrie comprise entre 0,25 μητι et 25 pm. Si la poudre présente une granulométrie inférieure à 0,25 pm, il devient alors difficile pour les gaz d'infiltration de la CVI de pénétrer dans la couche de poudre et d'assurer ainsi une bonne stabilisation de cette dernière. En outre, si la granulométrie de la poudre excède 25 μητι, il n'y a plus de surface de contact suffisante entre les grains pour assurer une cohésion satisfaisante de l'enveloppe céramique formée.

Le liant utilisé peut être notamment un composé organosilicié liquide précurseur de céramique tel qu'une résine de type polycarbosilane (PCS) ou polysilazane (Ceraset® PSZ20), ou une résine fugitive thermoplastique telle que l'acétate de polyvinyle (PVA) ou le polyvinyle de butyral (PVB).

Selon encore une autre variante, un mat de fibres céramiques, par exemple de fibres SiC, est disposé autour de la préforme en matériau composite avant l'injection du mélange poudre céramique-liant dans le moule afin de renforcer la résistance mécanique de l'enveloppe céramique formée. De même, des fibres courtes céramiques, par exemple des fibres courtes de SiC, peuvent être introduites dans le mélange poudre céramique-liant afin de renforcer la céramique de l'enveloppe.

Les poudres céramiques utilisées pour réaliser le mélange poudre céramique-liant injecté peuvent être notamment choisies parmi les compositions de poudres indiquées dans le tableau I ci-avant.

La céramique de l'enveloppe est en outre choisie en fonction des conditions d'utilisation de la pièce aérodynamique. Elle doit en particulier pouvoir résister aux températures d'utilisation de la pièce et présenter une durée de vie au moins égale à celle définie pour la pièce. A cet effet, on choisit une céramique ayant une température de fusion supérieure à la température maximale d'utilisation de la pièce. Dans le cas par exemple, de pièces constituant des aubes de turbines à gaz, les températures maximales rencontrées par ces pièces peuvent atteindre 1100°C. Dans ce cas, la céramique de l'enveloppe de l'aube présente une température de fusion supérieure ou égale à 1300°C.

Pour les constituants de la poudre céramique utilisée dans l'invention, on choisira une granulométrie adaptée à l'état de surface final de la pièce visé. On choisira de préférence des poudres dont la taille des grains est inférieure à 20pm. Des nanopoudres pourront également être utilisées car elles permettent de réduire la température de frittage.

Quel que soit la mise en œuvre du procédé, on obtient une pièce aérodynamique qui présente de très bonnes caractéristiques mécaniques et structurales conférées par la préforme en matériau composite ainsi qu'un état de surface comparable à celui obtenu avec des matériaux métalliques, et ce sans usinage final car la pièce présente sa forme et ses dimensions finales immédiatement après le surmoulage de l'enveloppe cylindrique.

Par ailleurs, selon les conditions d'utilisation envisagées, les fibres du renfort fibreux de la préforme en matériau composite de la pièce peuvent être en un matériau autre qu'une céramique, par exemple en carbone, et la matrice peut être en un matériau autre qu'une céramique, par exemple en carbone ou en une résine. Comme décrit ci-avant, la préforme de pièce aérodynamique selon l'invention peut être notamment réalisée en matériau composite à matrice céramique (CMC) qui est un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone ou céramique densifié par une matrice au moins partiellement céramique tel qu'un matériau carbone-carbone/carbure de silicium (C-C/SiC), carbone-carbure de silicium (C/SiC), carbure de silicium-carbure de silicium (SiC/SiC). La préforme peut être en outre réalisée en matériau composite carbone- carbone (C/C) qui, de façon connue, est un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbone. L'invention est bien entendu applicable aussi à la fabrication d'aubes en matériau composite à matrice organique (CMO) telle que celle obtenue, par exemple, à partir d'une résine époxyde à hautes performances.