Study and characterization of capillary imbibition through SiC porous matrix for optimized fabrication of ceramic matrix composite components for gas turbine engines

Le procédé de coulée de barbotine (slurry cast) revêt une importance considérable dans la fabrication de céramiques liées à haute température, car il offre un temps de production plus rapide sans compromettre l’efficacité des coûts. La caractérisation du comportement des

composites à matrice céramique (CMC) et de leurs phases constitutives présente des diffi- cultés en raison des conditions complexes aux températures élevées d’utilisation supérieures

à 1200 °C. Pour relever ces défis, l’infiltration capillaire (melt infiltration) est utilisée pour combler la porosité résiduelle à l’issue des étapes de coulée en barbotine et de traitement thermique. Le présent projet de recherche sur l’infiltration capillaire de matrices de carbure de silicium (SiC) a été réalisé à l’aide de fluides modèles à température ambiante pour simuler la montée capillaire du silicium liquide à haute température typiquement utilisée pour les CMC réels.

La présente étude est fondée sur la caractérisation de spécimens de matrices de SiC pro- duites par coulée en barbotine possédant différentes caractéristiques en termes de porosité,

d’épaisseur, de morphologie complexe avec différentes sections transversales et des caractéris- tiques microstructurelles hétérogènes. L’objectif de cette étude est d’obtenir une compréhen- sion complète des mécanismes d’infiltration capillaire impliqués dans la montée de fluides

modèles dans une matrice de poudre SiC. La première étape de cet effort a été la carac- térisation de la structure de la porosité à l’intérieur des matrices SiC compactes simplifiées,

qui servent à illustrer les nombreuses singularités observées dans la matrice granulaire de composites SiC/SiC. Le diamètre des pores a été estimé à l’aide de la porosimétrie par intrusion de mercure, tandis que la détermination de la valeur du diamètre effectif a été obtenue en utilisant des essais d’infiltration capillaire avec le n-hexadécane et en appliquant la méthode Lucas-Washburn. L’étude et la validation de la dynamique fondamentale de l’infiltration capillaire au sein d’une matrice SiC ont été réalisées grâce à l’application de méthodes expérimentales et à la simulation numérique. Au cours du processus d’infiltration capillaire à l’intérieur de matrices SiC, une interaction complexe de plusieurs forces contribue à la formation du front d’écoulement liquide. Le comportement d’infiltration est influencé par divers facteurs importants, parmi lesquels la taille médiane des pores, la porosité, et la tortuosité du milieu poreux. L’apparition de deux fronts d’écoulement, à savoir le front de surface (SFF) et le front en volume (VFF), se distingue par des vitesses d’avancées différentes. Les vitesses sont affectées par la distribution de pression capillaire, qui dépend de la configuration du front de flux parabolique distinctif qui émerge à l’intérieur de la matrice. Ce travail a permis la corrélation de la cinétique d’infiltration à la température ambiante avec l’architecture poreuse. En outre, un outil de modélisation a été utilisé pour mieux comprendre comment la structure poreuse influence la cinétique et les mécanismes d’infiltration. La microscopie et la tomographie aux rayons X ont été utilisées pour caractériser le réseau poral en deux et trois dimensions. Cette étude comprend également l’établissement d’une nouvelle méthode expérimentale, par essais interrompus, qui facilite l’étude des mécanismes d’infiltration capillaire dans une matrice SiC à l’aide de la tomographie par rayons X.

Mots clés : Composites à matrice céramique (CMC), Coulée en barbotine, Infiltration capil- laire, Caractérisation des milieux poreux.