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Fabrication de composites à matrice céramique par infiltration de barbotines

Gabriel Leleu

Master's thesis (2022)

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Abstract

Composite materials are materials that are generally made of fibers bound together by a surrounding matrix. Ceramic Matrix Composites (CMC) are generally made of specific fibers and matrixes that give them interesting mechanical properties under conditions at high temperature. Today, there exists multiple CMC manufacturing processes, each with its own level of industrial mastery, and its own pros and cons. One of them is the slurry cast process, which already has an advanced level of industrial expertise. The basic principle is to prepare a suspension of ceramic particles in a carrier fluid, called a slurry, and to inject that slurry trough à fibrous preform embedded in a mold. Said mold features a filter that lets the carrying fluid trough, but stops the ceramic particles, that therefore start building up and forming a cake. Placing the fibers between the injection point and the filter makes the cake build up in between the fibers. The part made thusly is then dried and sintered. Even though this process is rather well understood thanks to previous work (some of which carried at Polytechnique Montréal), there remain some grey areas regarding the underlying mechanisms governing the cakes buildup. Indeed, most of the previous work has been focused on cases where both the injection and the filtration are parallel among each other and perpendicular to the fibers. This then creates a lack of stable simulation software. To fulfill that need, Safran Ceramics developed a process model called « Multi-1D model », which was further developed at Polytechnique Montréal. There is a need to check if the results of that model are an accurate representation of reality, and as such to observe the cake buildup in more complex cases. It is also relevant to determine design guidelines for future molds, most notably regarding the positioning of injection and filtration spots. With that aim in mind, two types of molds were designed to study such cases: • One to produce rectangular samples, where injection and filtration can happen in a different direction than in the studies described above, • One for a part presenting a typical rounded angle. On that part too, multiple configurations of injection and filtration were tried. A series of tests has been realized on each of these parts. Process parameters such as mold pressure and injected volume have been recorded in real time, which has allowed the study of filtration curves. The samples produced have then been analyzed in microtomography. The results of these tests have shed the light on multiple accords as well as differences compared to the results of Multi-1D model simulation. For example, the shape of the buildup front is similar to simulation results for rectangular parts where the injection and filtration direction are perpendicular. However for some tests on parts with a rounded angle, the actual front shape is different to the simulated one. It was also possible to set simple design rules regarding common occurrences for the design of molds destined to produce complex parts.

Résumé

Les matériaux composites sont des matériaux qui sont constitués de fibres maintenues ensemble par une matrice qui les enveloppe. Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) sont constitués le plus souvent d'un assemblage de fibres et de matrice qui leur procure des propriétés mécaniques et de tenue à haute température intéressantes. Aujourd'hui, il existe plusieurs procédés de fabrication de CMC, chacun avec leur niveau de maîtrise d'un point de vue industriel, leurs avantages et leurs inconvénients propres. L'un d'eux se nomme l'infiltration de barbotine et présente déjà une bonne maîtrise du procédé. Il consiste à préparer une suspension de particules de céramique dans un fluide, appelée barbotine, et à l'injecter dans une préforme de fibres enchâssée dans un moule. Ce moule comprend un filtre qui laisse passer le fluide mais bloque les particules de céramiques, qui ainsi s'accumulent en un gâteau. En plaçant les fibres entre le point d'injection et le filtre, on fait en sorte que le gâteau se construise dans les interstices entre les fibres. La pièce ainsi obtenue est ensuite séchée et frittée. Bien que ce procédé soit assez bien connu pour des cas simples grâce à des travaux effectués précédemment (dont une partie à Polytechnique Montréal), il reste un certain nombre de zones d'ombres sur les mécanismes sous-jacents de construction du gâteau. En effet, la plupart des travaux se concentrent sur des cas ou l'injection et la filtration sont parallèles entre eux et perpendiculaires aux fibres. Ceci entraîne notamment une lacune dans les outils de simulation de la fabrication. Pour tenter de remédier à ceci, un modèle de simulation du procédé nommé « modèle Multi-1D » a été développé par Safran Ceramics puis adapté à Polytechnique Montréal. Il convient de vérifier si ce modèle produit des résultats en accord avec la réalité, et donc d'observer la construction du gâteau dans les cas plus complexes. Il est aussi pertinent de déterminer des règles de conception pour guider la conception de moules dans le futur, notamment en ce qui a trait aux stratégies de positionnement des points d'injection et de filtration dans les moules. Pour ceci, deux types de moules ont été réalisés : • Un pour la production échantillons rectangulaires, ou l'injection et la filtration peuvent se dérouler sur une autre direction que les essais mentionnés plus haut. • Un pour une pièce de géométrie typique présentant un arrondi. Sur cette pièce aussi, plusieurs configurations d'injection et de filtration ont été essayées. Un plan d'essais a été réalisé pour chacune de ces géométries. Les paramètres tels que la pression dans le moule et le volume injecté ont été enregistrés en temps réel, ce qui a permis une analyse des courbes de filtration. Ensuite, les échantillons ainsi obtenus ont été analysés en microtomographie. Les résultats des essais de moulage suivant plusieurs configurations ont permis de mettre en évidence plusieurs accords et écarts par rapport aux résultats découlant de la simulation par Multi-1D. Par exemple, la forme du front de construction réel est similaire aux résultats des simulations pour les essais rectangulaires ou l'injection est perpendiculaire à la filtration ; en revanche pour certains des essais sur la pièce présentant un arrondi, le front de construction réel présente une forme différente du front simulé. Il a également été possible de déterminer des règles de conception simples pour plusieurs cas courants lors de la conception de moules pour pièces complexes.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Sylvain Turenne
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10419/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 01 Feb 2023 14:50
Last Modified: 05 Apr 2024 14:39
Cite in APA 7: Leleu, G. (2022). Fabrication de composites à matrice céramique par infiltration de barbotines [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10419/

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