Étude du procédé d'injection flexible pour le moulage par voie liquide de composites à matrice céramique oxyde/oxyde

L'utilisation principale des composites à matrice céramique (CMC) dans le domaine aéronautique vise le remplacement progressif des superalliages à base de nickel dans les turbines et les arrière-corps des moteurs à réaction. L'objectif premier de ce remplacement est d'offrir à l'industrie aérospatiale de nouveaux matériaux réfractaires permettant de diminuer le coût des moteurs à réaction tout en augmentant leur température de fonctionnement. Cette augmentation de la température d'opération a pour objectif d'accroître l'efficacité globale des moteurs, ce qui se traduit par une meilleure combustion qui résulte en une diminution des émissions de CO2 et de NOx dans l'atmosphère. Les composites à matrice céramique ont le potentiel de remplacer les superalliages puisqu'ils offrent une combinaison unique de propriétés dans des applications à haute température, comme leur haute résistance mécanique, leur excellente tenue au fluage et leur stabilité environnementale dans des milieux agressifs. Ces dernières années, des efforts scientifiques ont donc été déployés afin de réduire le coût élevé de mise en oeuvre de ces matériaux, justifié par l'équipement et le temps de fabrication, avec comme objectif principal de les utiliser dans les moteurs à turbine. Différents processus de fabrication ont été étudiés, notamment des procédés d'injection de type slurry cast. Dans l'optique de fabriquer des composites à matrice organique (CMO) possédant de hautes performances mécaniques à faible coût, un procédé d'injection flexible (IF) a été développé à Polytechnique Montréal. La différence entre ce procédé d'injection et un procédé RTM classique est que le contre-moule est une membrane flexible. Ceci permet, entre autres, de réaliser une imprégnation de la pièce dans le sens de l'épaisseur en seulement quelques minutes. Depuis son invention, ce procédé a fait ses preuves, a été utilisé dans le cadre de plusieurs projets de recherche industrielle et a également été utilisé pour la fabrication de pièces de grande échelle. La présente thèse a pour but de contribuer au développement et à l'amélioration de ce procédé novateur afin de le rendre compatible à la fabrication de composites à matrice céramique de type Oxyde/Oxyde. L'un des éléments importants à développer au niveau du procédé est d'adapter l'architecture standard d'un moule d'injection flexible pour l'injection d'une suspension fortement chargée en particules de céramique oxyde à travers un tissu 3D de base oxyde afin de réaliser des fabrications de pièces possédant une géométrie simple. Ce projet présente plusieurs défis tant au niveau de la nature même de la suspension qu'au niveau des mécanismes d'imprégnation qui sont très différents des procédés utilisés pour les CMO classiques.

Abstract

The main use of Ceramic Matrix Composites (CMCs) in aeronautics is for the gradual replacement of nickel-based superalloys in turbines and jet engines. The primary objective of this replacement is to provide the aerospace industry with new refractory materials to reduce the cost of jet engines while increasing their operating temperature. This increase in operating temperature aims to enhance the overall efficiency of engines, which results in better combustion and thus causes a reduction of CO2 and NOx emissions in the atmosphere. Ceramic matrix composites have the potential to replace superalloys since they offer a unique combination of properties in high temperature applications, such as high mechanical strength, excellent creep resistance and environmental stability in aggressive environments. In recent years, scientific efforts have been made to reduce the prohibitive cost of these materials, justified by required equipment and production times, with the main objective of using them in turbine engines. Different manufacturing processes have been studied, including slurry cast injection processes. To manufacture polymer matrix composites (PMC) with high performance and low cost, a flexible injection process (FIP) has been developed at Polytechnique Montréal. The difference between this injection process and a conventional RTM process is that the counter-mould is a flexible membrane. This allows among other things to achieve an impregnation of the part in the direction of the thickness within a few minutes. Since its invention, this process has been proven, has been used in several industrial research projects and has also been used for the production of large scale parts. The purpose of this thesis is to contribute to the development and improvement of this innovative process in order to make it compatible with the manufacture of all-oxide ceramic matrix composites. One of the essential elements to develop at the process level is to adapt the standard architecture of a flexible injection mould for injection of a highly charged slurry of oxide ceramic particles through a 3D oxide-based fabric to produce parts with a simple geometry. This project brings together several challenges both in terms of the nature of the suspension and of the level of impregnation mechanisms, which are very different from the conventional processes used for PMC manufacturing. The research project presented in this document is part of the process of improvement and industrialization of the FIP for the fabrication of ceramic matrix composites with 3D alumina reinforcements. Based on previous work on the process and the obtained experimental results, it appears that flexible injection offers a unique solution for the manufacturing of CMCs.