Arrière-plan de rinvention

La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de dépôt d'un revêtement sur des fibres, et plus particulièrement sur une fibre continue en carbone ou en céramique à partir d'un précurseur du revêtement. L'invention concerne aussi un dispositif adapté à la mise en œuvre d'un tel procédé.

Les matériaux composites à matrice céramique (CMC), connus pour leurs bonnes propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structures et pour conserver ces propriétés à températures élevées, constituent une alternative viable aux traditionnelles pièces métalliques. Leur masse réduite par rapport à leur équivalent métallique en font des pièces de choix pour répondre aux problématiques d'augmentation du rendement et de réduction des émissions polluantes des moteurs dans le domaine aéronautique.

Les pièces en matériau CMC comprennent un renfort fibreux généralement continu sous la forme d'un textile tissé, qui est densifié par une matrice céramique. Le renfort fibreux comprend ainsi des fibres continues, regroupées généralement sous la forme de fils ou torons, dont l'orientation peut être adaptée aux directions principales de sollicitation de la pièce lors de son utilisation. La préforme destinée à former le renfort fibreux peut être tissée à partir des torons de fibres continues aux dimensions de la pièce (par exemple par tissage bidimensionnel ou tridimensionnel), à l'aide d'un métier à tisser adapté. Pour réaliser une pièce en matériau CMC qui présente des propriétés mécaniques améliorées, il est connu de disposer de fibres dans la préforme fibreuse qui sont revêtues d'une interphase, préalablement à la densification de la préforme.

On connaît le dépôt d'un revêtement d'interphase sur les fibres d'une préforme fibreuse déjà tissée par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI). Cette technique est coûteuse énergétiquement notamment à cause des parois chaudes traditionnellement utilisées pour porter l'enceinte réactionnelle à une température permettant la formation de l'interphase. En outre, une grande quantité de précurseur est nécessaire pour former l'interphase car une partie de celui-ci se dépose sur les parois de l'enceinte réactionnelle et est définitivement perdue. De plus, l'interphase n'est pas formée de manière uniforme dans l'ensemble de la préforme, ce qui n'est pas souhaitable.

Il existe donc un besoin pour un procédé de dépôt d'un revêtement sur une fibre continue en carbone ou en céramique qui ne présente pas les inconvénients précités.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de dépôt d'un revêtement sur une fibre continue en carbone ou en céramique à partir d'un précurseur du revêtement, le procédé comprenant au moins le chauffage d'au moins un segment de la fibre en présence d'une phase liquide ou supercritique du précurseur de revêtement par un faisceau laser de façon à porter la surface du segment à une température permettant la formation du revêtement sur le segment à partir du précurseur de revêtement.

Un « segment de fibre » correspond ici à une certaine longueur de fibre, en d'autres termes, le segment s'étend selon la longueur ou la plus grande dimension de la fibre. Un segment de fibre est ainsi une portion de la fibre de longueur non nulle. Une fibre pouvant comprendre plusieurs filaments, un segment de fibre peut comprendre plusieurs filaments. Dans le présent exposé, par « surface du segment », on entend la surface de chaque filament qui compose le segment de fibre, le cas échéant. De manière similaire, on entend par « déposer » ou « former » un revêtement sur le segment de fibre, le dépôt ou la formation du revêtement sur la surface de chaque filament qui compose le segment de fibre, le cas échéant. Lorsque le segment de fibre est chauffé en présence d'un précurseur à l'état liquide, on parle aussi de dépôt par caléfaction.

Le procédé selon l'invention est remarquable notamment par le fait qu'un segment de la fibre est chauffé directement et localement à l'aide d'un faisceau laser. Ce chauffage local de la fibre permet de réduire la consommation énergétique de l'ensemble du procédé par rapport à des procédés du type infiltration chimique en phase vapeur dans une enceinte dont les parois sont chauffées. Le chauffage local par laser permet en outre d'augmenter significativement la reproductibilité du procédé, la cinétique de la formation du revêtement et son homogénéité. Le procédé permet en outre de réduire la quantité de précurseur nécessaire puisqu'il faut seulement que le segment de fibre chauffé soit en présence du précurseur en phase liquide ou supercritique.

Le procédé selon l'invention est avantageux en ce qu'il est possible de choisir les propriétés ou caractéristiques du faisceau laser, notamment sa forme, sa longueur d'onde ou sa puissance, afin d'améliorer encore la cinétique de dépôt et de l'adapter au matériau de la fibre et/ou au précurseur. La forme du faisceau peut par exemple être choisie pour focaliser l'énergie sur un segment plus ou moins grand de la fibre. La longueur d'onde du faisceau laser peut par exemple être choisie en fonction d'une longueur d'onde d'absorption maximale du matériau de la fibre. La longueur d'onde du faisceau laser peut par exemple être choisie en fonction d'une longueur d'onde d'activation du précurseur à l'état liquide ou supercritique, c'est-à-dire d'une longueur d'onde où le précurseur absorbe de l'énergie du faisceau laser, facilitant ainsi la formation du revêtement. Le faisceau laser peut être continu ou pulsé à une certaine fréquence de pulsation. Dans le cas d'un dépôt à partir du précurseur en phase supercritique, le chauffage local par laser permet de contrôler les conditions de température au niveau du segment de fibre, et de faire passer par exemple le précurseur à l'état supercritique seulement à proximité du segment de fibre concerné. Le chauffage à l'aide d'un faisceau laser peut être utilisé seul ou en complément de moyens de chauffe traditionnels.

Dans un exemple de réalisation, le procédé peut comprendre en outre le défilement de la fibre devant le faisceau laser de façon à former le revêtement sur plusieurs segments de fibre successifs. Dans ce cas, le défilement de la fibre peut être effectué de façon continue ou semi- continue, en fonction des cinétiques de dépôts inhérentes aux variantes décrites précédemment ainsi qu'aux précurseurs mis en jeu. Cette disposition permet de réaliser de façon continue le dépôt, ce qui rend le procédé aisé à mettre en œuvre.

Dans un exemple de réalisation, plusieurs segments de fibre distincts peuvent être chauffés simultanément par plusieurs faisceaux lasers. Ainsi, il est possible par exemple d'utiliser des faisceaux lasers présentant des caractéristiques différentes, par exemple pour favoriser l'absorption du faisceau par la fibre et/ou l'activation du précurseur, et ce à différents emplacements de la fibre. Cette disposition permet de réaliser le dépôt à plusieurs emplacements de la fibre de façon simultanée, ce qui augmente la cinétique du dépôt et peut permettre un défilement plus rapide de la fibre, le cas échéant. Il est également possible de réaliser des gradients de température le long de la fibre afin de contrôler les propriétés du revêtement comme sa cristallinité.

Dans un exemple de réalisation, un segment de la fibre peut être chauffé par plusieurs faisceaux lasers répartis angulairement autour dudit segment. Cette disposition permet d'améliorer encore l'homogénéité et la cinétique du dépôt sur la fibre en assurant un chauffage régulier et uniforme sur toute la surface du segment de fibre chauffé.

Dans un exemple de réalisation, le revêtement peut être un revêtement d'interphase. La fibre revêtue d'une interphase peut ensuite être utilisée pour la fabrication d'une pièce en matériau CMC, par exemple en les tissant (tissage bidimensionnel ou tridimensionnel par exemple) pour obtenir une préforme qui sera ensuite densifiée au moins partiellement par une matrice céramique telle que du carbure de silicium. Dans cette situation, l'interphase a une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l'interphase après s'être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture de fibres par de telles fissures. Cette interphase permet également de protéger la fibre du matériau de la matrice lors de sa formation.

Dans un exemple de réalisation, le revêtement peut comprendre un matériau choisi parmi les suivants : carbures de silicium (SiC), pyrocarbone (PyC), nitrures de bore dopés ou non (BN, BN(Si)), nitrures de silicium dopés ou non (SiN, Si ₃ N ₄ , Si _x N _y O _z ), carbures de bore (B ₄ C, BC), et leurs mélanges.

Dans un exemple de réalisation, la fibre peut être en carbure de silicium. En particulier, le matériau de la fibre en carbure de silicium peut présenter une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. Par exemple une telle fibre peut être une fibre du type Hi-Nicalon type S commercialisées par la société japonaise NGS.

L'invention vise aussi, selon un deuxième aspect, un dispositif pour la mise en œuvre d'un procédé de dépôt d'un revêtement sur une fibre continue à partir d'un précurseur du revêtement en phase liquide, le dispositif comprenant un réacteur tubulaire ayant une section en forme de U pour contenir la fibre et le précurseur du revêtement en phase liquide, une source laser pour générer un faisceau laser dans le réacteur destiné à chauffer la surface d'un segment de la fibre en présence du précurseur du revêtement en phase liquide, et un dispositif de défilement de la fibre à l'intérieur du réacteur. La forme en U de la section du réacteur lui permet de contenir le précurseur de revêtement à l'état liquide tout en assurant une bonne immersion de la fibre dans le précurseur de revêtement. Le dispositif est avantageusement adapté pour déposer le revêtement sur la fibre de façon continue à l'aide du dispositif de défilement.

Dans un exemple de réalisation, le dispositif de défilement peut comprendre un premier mandrin à partir duquel la fibre est destinée à être déroulée, et un deuxième mandrin sur lequel la fibre revêtue est destinée à être enroulée.

Dans un exemple de réalisation, la source laser peut être configurée pour générer au moins deux faisceaux lasers au niveau de deux emplacements distincts dans le réacteur.

Dans un exemple de réalisation, le dispositif peut comprendre au moins deux sources laser configurées pour générer respectivement au moins deux faisceaux lasers au niveau de deux emplacements distincts dans le réacteur.

Dans un exemple de réalisation, le dispositif peut comprendre plusieurs sources lasers réparties angulairement autour du réacteur pour générer des faisceaux laser s'interceptant à l'intérieur du réacteur.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- les figures 1 à 5 illustrent schématiquement des variantes de dispositifs pour la mise en œuvre d'un procédé de dépôt d'un revêtement sur une fibre continue à partir d'un précurseur du revêtement en phase liquide, et - la figure 6 illustre schématiquement un dispositif pour la mise en œuvre d'un procédé de dépôt d'un revêtement sur une fibre continue à partir d'un précurseur du revêtement en phase supercritique.

Description détaillée de l'invention

La figure 1 montre un dispositif 100 pour la mise en œuvre d'un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 100 permet de mettre en œuvre un procédé de dépôt d'un revêtement par caléfaction, c'est-à-dire dans lequel la formation du revêtement est réalisée en présence d'une phase liquide d'un précurseur du revêtement. Le dispositif 100 comprend un réacteur tubulaire 110, une source laser 120, et un dispositif de défilement 130. Une fibre continue 140 en céramique ou en carbone, ainsi qu'un précurseur 150 du revêtement à l'état liquide, sont présents dans le réacteur 110.

Le réacteur tubulaire 110 présente une section en forme de U pouvant contenir un précurseur de revêtement à l'état liquide 150 tout en permettant la formation du revêtement par un procédé selon l'invention. Plus précisément, le réacteur 110 comprend une partie basse 112 (ici droite et horizontale) et deux parties verticales 113 et 114 (également droite ici) qui s'étendent à partir de la partie basse 112. Dans l'exemple illustré, le précurseur de revêtement 150 est présent dans la partie basse 112 du réacteur. Le réacteur 110 comprend ici une première ouverture 115 et une deuxième ouverture 116 respectivement aux extrémités des parties verticales 113 et 114. La fibre 140 parcourt l'ensemble du réacteur 110 entre les ouvertures 115 et 116, et est immergée dans le précurseur de revêtement 150 au niveau de la partie basse 112 du réacteur. Le réacteur 110 peut comprendre des moyens (non représentés) pour assurer le remplissage et/ou la purge du précurseur de revêtement 150. Le réacteur 110 peut avoir une section de tube circulaire ou présentant d'autres formes.

La source laser 120 permet de générer un faisceau laser 121 à l'intérieur du réacteur 110. Dans cet exemple, la source laser 120 est située au-dessus de la partie basse 112 du réacteur 110, à l'extérieur de celui-ci. Le faisceau laser 120 est dirigé vers la fibre 140 présente dans le réacteur 110. Bien entendu, d'autres configurations du réacteur 110 et de la source laser 120 peuvent être envisagées, tant que le faisceau laser 121 permet de chauffer la fibre 140 en présence du précurseur de revêtement 150. Le faisceau laser 121 peut présenter des formes variées, et par exemple former un point ou « spot », ou une forme plus étendue de manière à couvrir un segment de fibre plus important

L'homme du métier sait déterminer les caractéristiques du faisceau laser 121 nécessaires pour assurer la formation du revêtement sur la fibre 140, notamment en modifiant la focalisation, la puissance de la source laser 120 ou la longueur d'onde du faisceau laser 121. En particulier, l'homme du métier adaptera les caractéristiques du faisceau laser 121 en fonction du matériau constituant la fibre 140 et du précurseur de revêtement 150 utilisé.

Le réacteur 110 peut être avantageusement en un matériau transparent au faisceau laser 121 généré par la source laser 120 de façon à ce que le faisceau laser 121 puisse atteindre un emplacement à l'intérieur du réacteur 110 et rencontrer la fibre 140 en vue de la chauffer. La source laser 120 peut, dans un exemple de réalisation non illustré, se trouver à l'intérieur du réacteur 110.

Le dispositif de défilement 130 comporte ici un premier mandrin 131 à partir duquel la fibre 140 peut être déroulée, le premier mandrin 131 peut être un mandrin de stockage de la fibre 150 avant qu'elle ne soit revêtue, et un deuxième mandrin 132 sur lequel la fibre 150 peut être enroulée une fois revêtue. La fibre 150 peut ainsi circuler dans le réacteur 110 depuis le premier mandrin 131 jusqu'au deuxième mandrin 132. Les éléments de centrage 133, 134 de la fibre 150 dans le réacteur 120 assurent ici que la fibre 150 ne touche pas la paroi du réacteur 120 et qu'elle est suffisamment tendue. Le dispositif de défilement 130 peut être commandé par des moyens de commande non représentés, de façon à faire défiler la fibre 150 dans le dispositif 100 de façon continue ou semi- continue (c'est-à-dire pas à pas). Le dispositif de défilement 130 peut par exemple faire défiler la fibre 150 dans le dispositif 100 dans les deux sens.

Un dispositif 200 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 2. Sauf mention contraire, les signes de référence correspondant entre les figures 1 et 2 (100 devient 200) désignent des caractéristiques identiques. Le dispositif 200 comprend toujours une première source laser 220a pour générer un faisceau 221a. Par rapport au dispositif 100, le dispositif 200 comprend en outre une deuxième source laser 220b pour générer un deuxième faisceau laser 221b à un autre emplacement dans le réacteur 210. Plus précisément, le deuxième faisceau laser 221b permet de chauffer un segment de la fibre 240 distinct du segment de fibre chauffé par le premier faisceau laser 221a issu de la première source laser 220a. Un tel dispositif 200 est avantageux en ce qu'il permet d'augmenter la cinétique de dépôt du revêtement car les deux sources lasers 220a et 220b peuvent fonctionner simultanément. Il permet en outre d'utiliser deux faisceaux lasers 221a et 221b présentant des caractéristiques différentes.

Un dispositif 300 selon un troisième mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 3. Sauf mention contraire, les signes de référence correspondant entre les figures 1 et 3 (100 devient 300) désignent des caractéristiques identiques.

Le dispositif 300 comprend toujours une source laser 320, placée de la même manière que les sources laser 120 et 220a par rapport au réacteur 310. Par rapport au dispositif 100, la source laser 320 est configurée pour générer plusieurs faisceaux lasers 321a, 321b, 321c en direction de la fibre 340. Plus précisément, les faisceaux lasers 321a-321c permettent ici de chauffer plusieurs segments distincts de la fibre 340 simultanément. Les faisceaux lasers 321a-321c suivent ici des trajectoires différentes convergeant au niveau de la source laser 320. Un tel dispositif 300 est avantageux en ce qu'il permet aussi d'augmenter la cinétique de dépôt du revêtement.

Un dispositif 400 selon un quatrième mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 4. Sauf mention contraire, les signes de référence correspondant entre les figures 1 et 4 (100 devient 400) désignent des caractéristiques identiques.

Le dispositif 400 comprend ici une première source laser 420a, placée de la même façon que les sources laser 120, 220a et 320 par rapport au réacteur 410, et une deuxième source laser 420b située à l'opposé de la première source laser 420a par rapport au réacteur 410. Les faisceaux laser 421a et 421b générés par chacune des sources laser 420a et 420b s'interceptent au niveau de la fibre 440 et les directions qui portent leurs trajectoires sont confondues. Dans cet exemple, les sources lasers 420a et 420b (ainsi que les faisceaux 421a et 421b) sont répartis angulairement autour du réacteur 410, et sont ainsi séparées angulairement de 180°. Cette disposition permet de chauffer la fibre de façon uniforme et ainsi d'obtenir un dépôt homogène, tout en augmentant la cinétique du dépôt.

Un dispositif 500 selon un cinquième mode de réalisation de l'invention est représenté en coupe sur la figure 5. Sauf mention contraire, les signes de référence correspondant entre les figures 1 et 5 (100 devient 500) désignent des caractéristiques identiques.

La figure 5 montre seulement une coupe transversale de la partie basse 512 du réacteur 510, sur laquelle on peut voir trois sources lasers 520a-520c pour générer respectivement trois faisceaux lasers 521a-521c qui s'interceptent au niveau de la fibre 540 immergée dans le précurseur de revêtement 550. Les trois sources lasers 520a-520c sont réparties angulairement autour de la partie basse 512 du réacteur 510, et sont ainsi séparées angulairement de 120°. Comme pour le dispositif 400, cette disposition permet de chauffer la fibre de façon plus uniforme et ainsi obtenir un dépôt homogène, tout en augmentant la cinétique de dépôt.

Les dispositifs 100, 200, 300, 400 et 500 décrits précédemment permettent de mettre en oeuvre un procédé de dépôt d'un revêtement sur une fibre continue en carbone ou en céramique à partir d'un précurseur du revêtement, dans lequel on chauffe au moins un segment de la fibre en présence d'un précurseur du revêtement à l'état liquide (caléfaction). Les dispositifs précités sont équipés de dispositifs de défilement qui permettent de réaliser le procédé de façon continue, c'est-à-dire en répétant successivement l'étape de chauffage sur des segments consécutifs de la fibre.

La figure 6 montre un dispositif 600 pour la mise en œuvre d'un procédé de dépôt similaire, mais dans lequel le précurseur du revêtement est à l'état supercritique. Le dispositif 600 comprend une enceinte 601 pourvue d'un port d'entrée 602 et d'un port de sortie 603. Un gaz neutre (par exemple de l'argon) peut être introduit dans l'enceinte 601 par le port d'entrée 602. Le port de sortie 603 permet de récupérer le mélange gazeux qui a circulé dans l'enceinte 601 afin de ne pas le laisser s'échapper dans l'environnement extérieur.

Un réacteur 610 est présent à l'intérieur de l'enceinte 601. Le réacteur 610 prend ici la forme générale d'un tube rectiligne ouvert à ses extrémités. Plus précisément, le réacteur 610 comprend une ouverture d'entrée 611 et une ouverture de sortie 612 par lesquelles la fibre continue 640 peut respectivement entrer et sortir du réacteur 610. Un précurseur du revêtement consistant en un gaz ou mélange gazeux est également introduit dans le réacteur 610 par l'ouverture d'entrée 611 (flèche 611a) et évacué du réacteur par l'ouverture de sortie 612 (flèche 612a). Une source laser 620 est également présente pour générer un faisceau laser 621 dans le réacteur au niveau d'un emplacement de celui- ci où la fibre 640 est présente, de manière similaire aux dispositifs décrits précédemment. Un dispositif de défilement 630 peut être présent dans l'enceinte pour assurer le déplacement de la fibre 640 dans le réacteur 610 et assurer un dépôt de façon continue ou semi-continue. Le dispositif de défilement peut comprendre un premier mandrin 631 à partir duquel la fibre 640 est déroulée, et un deuxième mandrin 632 sur lequel la fibre 640 revêtue est enroulée.

Dans le dispositif 600, les caractéristiques du faisceau laser 621 (par exemple sa puissance ou sa longueur d'onde) peuvent être avantageusement choisies pour faire passer le précurseur de revêtement à l'état supercritique seulement à proximité du segment de fibre 640 qui est chauffé par le faisceau laser 621, et assurer ainsi la formation du revêtement sur le segment de fibre 640 chauffé. L'enceinte 601 peut être contrôlée en température et en pression pour assurer le passage du précurseur à l'état supercritique. Un tel procédé et un tel dispositif 600 permettent de réduire l'énergie nécessaire pour effectuer le dépôt, tout en augmentant la cinétique, la reproductibilité et l'homogénéité du dépôt. On notera que les différentes dispositions de la source laser présentées pour les dispositifs dans lesquels on utilise un précurseur à l'état liquide peuvent s'appliquer de manière similaire au dispositif 600. Exemple 1

On dépose une interphase de pyrocarbone (PyC) sur un toron de fibres en carbure de silicium (SiC) par caléfaction en utilisant un dispositif similaire au dispositif 100 décrit ci-avant. Le précurseur de revêtement à l'état liquide est de l'éthanol. La source laser est un laser Nd:YAG de 1000 Watts générant un faisceau laser présentant une longueur d'onde de l'ordre de 1064 nm. Le faisceau laser est focalisé en un point du toron de fibres qui défile en continu à une vitesse de 120 mm/min dans le réacteur.

On a ainsi obtenu un revêtement d'interphase homogène sur le toron de fibres présentant une épaisseur de 0,3 pm.

Exemple 2

On dépose une interphase de pyrocarbone (PyC) sur un toron de fibres en carbure de silicium (SiC) par procédé supercritique en utilisant un dispositif similaire au dispositif 600 décrit ci-avant. Le précurseur de revêtement devant être utilisé à l'état supercritique qui est introduit dans le réacteur est du méthane. La source laser est une diode laser de 100 Watts générant un faisceau laser présentant une longueur d'onde de l'ordre de 808 nm. Le faisceau laser est focalisé en un point du toron de fibres qui défile en continu à une vitesse de 120 mm/min dans le réacteur.

On a ainsi obtenu un revêtement d'interphase homogène sur le toron de fibres présentant une épaisseur de 0,3 pm.