Étude de la fabrication de géométries élémentaires de pièces de turboréacteur en composite SiC/SiC par injection/filtration de barbotine

Les motoristes s'intéressent aux composites à matrice céramique depuis une trentaine d'année, ces matériaux offrent en effet une résistance thermique supérieure à celle des superalliages de nickel, cela avec une masse plus réduite et sans souffrir des problèmes de fragilité des céramiques très hautes températures pleines. Une fois démocratisés, ces matériaux permettraient donc de réduire la consommation en kérosène et les émissions de pollution liées au transport aérien de manière significative. Parmi eux, les composites à matrice et renfort en carbure de silicium sont à un stade particulièrement avancé dans la recherche les concernant. Proche d'une implémentation industrielle, ils peuvent être fabriqués grâce à de nombreux procédés plus ou moins bons en termes de coût, de durée, de qualité de pièce et de complexité des formes réalisables, conduisant généralement à une utilisation combinée de ces procédés. L'injection/filtration de barbotine est un procédé en cours de développement qui se révèle particulièrement avantageux sur les points mentionnés précédemment. Il consiste à injecter une suspension de poudre SiC, dans une préforme SiC 3D accolée à un filtre. La poudre se dépose sur le filtre et fait donc croître un gâteau de poudre au sein du réseau fibreux de la préforme. La pièce formée peut ensuite subir un frittage pour consolider le gâteau. Ce procédé nécessite encore du travail de maturation sur la fabrication de pièces complexe, avec l'objectif d'acquérir de solide connaissance sur le comportement du procédé en fonction des paramètres d'entrée, ce qui permettrait à terme la finalisation d'outils de simulation (en cours de développement) prévoyant la qualité de remplissage du composite selon ces conditions d'entrée. Dans ce cadre et après la création de moules adaptés, des injections sur des plaques rectangulaires, ainsi que sur des pièces appelées éprouvettes à épaisseur variable, présentant des épaississements de section et des variations de tissage dans la préformes ont été réalisées selon différentes stratégies prédéterminées. Ces échantillons ont ensuite été étudiés par triple pesée et microtomographie. L'ensemble des essais et leur analyse a permis d'établir un ensemble de règles de conception des moules spécifiques à ce procédé, d'acquérir des valeurs sur la cinétique du remplissage du composite et enfin des informations qualitatives sur l'allure du front de construction et le niveau de porosité résiduelle en fonction de la stratégie d'injection utilisée sur la pièce.

Abstract

Aircraft engines manufacturer have been interested in ceramic matrix composites for about 30 years. These materials offer higher thermal resistance than nickel superalloys, with a lower mass and without the brittleness problems of full high-temperature ceramics. Once democratized, these materials could significantly reduce kerosene consumption and pollution emissions from air transport. Among them, composites with silicon carbide matrix and reinforcement are at a particularly advanced stage of R&D, close to industrial implementation. They can be manufactured through many processes, more or less efficient in terms of cost, duration, part quality and complexity of the achievable shapes, generally leading to the use of combined processes. Slurry injection/filtration is a process under development that is particularly advantageous on the points mentioned above. It consists in injecting a suspension of SiC powder into a 3D SiC fiber preform attached to a filter, the powder being deposited on the filter and thus making a powder cake growing within the fibrous network of the preform. The formed part can then undergo a sintering to consolidate the cake. This process still requires maturation work on complex parts, with the objective of acquiring solid knowledge on the behavior of the process according to the input parameters, which will eventually allow the finalization of simulation tool (under development) predicting the filling quality of the composite according to these input conditions. Within this framework and after the creation of adapted molds, injections on rectangular plates (by the edge and not the face) and on parts called blade foot, presenting thickenings of section and variations of weaving in the preform were carried out according to various predetermined strategies. These samples were then studied by triple weighing and microtomography. The set of tests and their analysis allowed to establish a set of design rules for the molds specific to this process, to acquire values on the kinetics of the filling of the composite and finally qualitative information on the shape of the construction front and the level of residual porosity depending on the injection strategy used on these parts.