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FR3125035A1 - Procédé de renforcement d’une pièce en composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde - Google Patents

Procédé de renforcement d’une pièce en composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde Download PDF

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FR3125035A1
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Safran Ceramics SA
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Abstract

Le présent document concerne un procédé de renforcement d’au moins une zone de fixation (4) d’une pièce d’une turbomachine comprenant les étapes : réaliser une préforme (3) en matériau composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde, comportant des fibres et une matrice à base de poudre ;appliquer un premier cycle thermique à la préforme de manière à réaliser un premier frittage de la matrice ;appliquer un second cycle thermique à ladite zone de fixation (4) de la préforme (3) de manière à réaliser un second frittage de la matrice permettant d’augmenter localement une taille de la matrice, de façon à obtenir ladite pièce après le second frittage. Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 1]

Description

Procédé de renforcement d’une pièce en composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde
Domaine technique de l’invention
Le présent concerne un procédé de renforcement d’une zone volumique de fixation d’une pièce en composite à matrice céramique (CMC) de type oxyde-oxyde d’une turbomachine configurée pour recevoir une vis de fixation.
Etat de la technique antérieure
Classiquement, une turbomachine est constituée, d’amont en aval, d’un compresseur basse pression, d’un compresseur haute pression, d’une chambre de combustion, d’une turbine haute pression et d’une turbine basse pression. Une turbine comprend une alternance de rangées annulaires d’aubes statoriques et d’aubes mobiles agencées à l’intérieur d’un carter. La turbine basse-pression permet d’exploiter et de libérer la puissance générée dans une chambre de combustion située en amont de ladite turbine basse pression. Deux flux d’air sont à considérer au sein d’une turbomachine : un flux annulaire primaire et un flux annulaire secondaire. Le flux secondaire contourne toute la partie chaude de la turbomachine. L'autre flux, appelé flux primaire, traverse toute la turbomachine du compresseur basse pression à la turbine basse pression et est entouré par le flux d’air secondaire. Ce flux primaire circule au sein d’une veine primaire.
Dans un tel environnement, des pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC) sont employées. Ces pièces en matériau CMC comprennent des fibres et une matrice à base de poudre. Les fibres et la poudre sont liées entre elles par frittage. De ce frittage résulte une certaine souplesse due à la porosité entre des grains de la poudre.
Cependant, une contrepartie de cette porosité est qu’un tel matériau fritté présente une résistance moindre en compression, dans la direction de l’épaisseur de la pièce, et en cisaillement, dans des plans de l’épaisseur de la pièce.
Un tel matériau est difficilement compatible avec l’utilisation de vis de fixation venant serrer localement de telles pièces et exerçant des pressions de serrage importantes, et donc des efforts de compression et des contraintes de cisaillement importants.
Présentation de l’invention
Le présent document concerne un procédé de renforcement d’au moins une zone de fixation d’une pièce d’une turbomachine comprenant les étapes :
  1. réaliser une préforme en matériau composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde, comportant des fibres et une matrice à base de poudre ;
  2. appliquer successivement un premier cycle thermique à la préforme de manière à réaliser un premier frittage de la matrice et un second cycle thermique à ladite zone de fixation de la préforme de manière à réaliser un second frittage de la matrice, de façon à obtenir ladite pièce; ou
appliquer successivement le second cycle thermique à ladite zone de fixation de la préforme et le premier cycle thermique à la préforme, de façon à obtenir ladite pièce ; ou
appliquer simultanément le premier cycle thermique et le second cycle thermique, de façon à obtenir ladite pièce.
L’utilisation d’un matériau composite à matrice céramique (CMC) de type oxyde-oxyde permet à la pièce de pouvoir être utilisée dans des environnements chauds, jusqu’à une température comprise entre 1100°C et 1200°, alors que l’utilisation d’un matériau métallique ne permet pas de dépasser des températures comprises entre 600 et 800°C.
Un tel procédé permet de conférer à la pièce de bonnes propriétés d’allongement, puisque celui-ci peut être compris entre 0,3 et 0,4 %. Un tel allongement de la pièce autorise une flexion de la pièce.
Le second frittage de la zone de fixation accroit la taille des grains de matrice, et augmente la cohésion intergranulaire de cette zone et, ainsi, augmente sa capacité à résister à des efforts de compression et à des contraintes de cisaillement. En outre, le second frittage de la matrice peut permettre une augmentation de la coalescence des grains de la matrice. Le second frittage de la matrice peut également permettre de réduire la porosité de la préforme.
Classiquement, un oxyde est un composé chimique comprenant de l’oxygène en plus d’au moins un autre élément chimique moins électronégatif. Ainsi, un matériau CMC de type oxyde-oxyde est un matériau tel que les fibres et la matrice sont réalisés en un matériau de type oxyde.
Un trou peut être réalisé dans la zone de fixation de la préforme, ledit trou étant destiné au passage d’un organe de fixation, tel par exemple qu’une vis.
La température de frittage appliqué lors du premier cycle thermique peut être comprise entre 1000 et 1400°C, de préférence comprise entre 1050°C et 1200°C, encore plus préférentiellement de l’ordre de 1100°C.
La durée du premier cycle thermique peut être comprise entre 10 et 600 minutes, de préférence comprise entre 10 minutes et 180 minutes, encore plus préférentiellement de l’ordre de 30 minutes.
Le temps et la température de ce premier cycle thermique sont choisis de manière à conserver une porosité optimale de la pièce, en particulier hors de la zone de fixation, offrant ainsi les capacités de flexibilité et d’allongement requises.
La température de frittage appliqué lors du second cycle thermique peut être augmentée d’une valeur comprise entre +20°C et +150°C par rapport au premier cycle de frittage, de préférence une augmentation comprise entre +40°C et +100°C, encore plus préférentiellement une augmentation de l’ordre de + 60°C.
La durée dudit second cycle thermique peut être comprise entre 5 et 600 minutes, de préférence entre 5 minutes et 120 minutes, encore plus préférentiellement de l’ordre de 30 minutes.
Le temps et la température de ce second cycle thermique sont choisis de manière à augmenter la taille des grains de la matrice de la zone de fixation de la pièce, offrant ainsi les caractéristiques mécaniques voulues en termes de résistance aux efforts de compression et aux contraintes de cisaillement.
Lors du second cycle thermique, un élément métallique peut être chauffé par induction puis est mis en contact avec la zone de fixation à fritter.
Lors du second cycle thermique, la zone de fixation peut être chauffée par l’intermédiaire d’un champ plasma local ou par l’intermédiaire d’un dard thermique.
Brève description des figures
représente une pièce en composite à matrice céramique oxyde-oxyde de turbomachine traité pour recevoir une vis de fixation,
représente la structure granulaire d’un composite à matrice oxyde matrice obtenue par traitement thermique sur poudre et ayant subi un premier cycle thermique
représente ladite structure granulaire après un second traitement thermique,
représente ladite structure granulaire après encore un autre traitement thermique.

Claims (8)

  1. Procédé de renforcement d’au moins une zone de fixation (4) d’une pièce d’une turbomachine comprenant les étapes :
    1. réaliser une préforme (3) en matériau composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde, comportant des fibres et une matrice à base de poudre ;
    2. appliquer successivement un premier cycle thermique à la préforme de manière à réaliser un premier frittage de la matrice et un second cycle thermique à ladite zone de fixation de la préforme de manière à réaliser un second frittage de la matrice, de façon à obtenir ladite pièce; ou
    appliquer successivement le second cycle thermique à ladite zone de fixation de la préforme et le premier cycle thermique à la préforme, de façon à obtenir ladite pièce ; ou
    appliquer simultanément le premier cycle thermique et le second cycle thermique, de façon à obtenir ladite pièce.
  2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel un trou (6) est réalisé dans la zone de fixation (4) de la préforme (3), ledit trou (6) étant destiné au passage d’un organe de fixation (8), tel par exemple qu’une vis.
  3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la température de frittage appliqué lors du premier cycle thermique est comprise entre 1000 et 1400°C, de préférence comprise entre 1050°C et 1200°C, encore plus préférentiellement de l’ordre de 1100°C.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la durée du premier cycle thermique est comprise entre 10 et 600 minutes, de préférence comprise entre 10 minutes et 180 minutes, encore plus préférentiellement de l’ordre de 30 minutes.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la température de frittage appliqué lors du second cycle thermique est augmentée d’une valeur comprise entre +20°C et +150°C par rapport au premier cycle de frittage, de préférence une augmentation comprise entre +40°C et +100°C, encore plus préférentiellement une augmentation de l’ordre de +60°C.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la durée dudit second cycle thermique est comprise entre 5 et 600 minutes, de préférence comprise entre 5 minutes et 120 minutes, encore plus préférentiellement de l’ordre de 30 minutes.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, lors du second cycle thermique, un élément métallique est chauffé par induction puis est mis en contact avec la zone de fixation (4) à fritter.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel, lors du second cycle thermique, la zone de fixation (4) est chauffée par l’intermédiaire d’un champ plasma local ou par l’intermédiaire d’un dard thermique.
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