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WO2023194692A1 - Pièce de révolution en matériau composite a capacité de rétention améliorée - Google Patents

Pièce de révolution en matériau composite a capacité de rétention améliorée Download PDF

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WO2023194692A1
WO2023194692A1 PCT/FR2023/050499 FR2023050499W WO2023194692A1 WO 2023194692 A1 WO2023194692 A1 WO 2023194692A1 FR 2023050499 W FR2023050499 W FR 2023050499W WO 2023194692 A1 WO2023194692 A1 WO 2023194692A1
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WO
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fibrous
layer
fibers
fibrous structure
blank
Prior art date
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PCT/FR2023/050499
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Nicolas Pierre LANFANT
Dominique Marie Christian COUPE
Gurvan MOREAU
Enrico Giovanni OBERT
Nicolas HORTER
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Publication date
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Priority to US18/853,341 priority patent/US20250242549A1/en
Priority to CN202380037752.2A priority patent/CN119136966A/zh
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    • F05D2300/6034—Orientation of fibres, weaving, ply angle

Definitions

  • the present invention relates to the general field of manufacturing parts of revolution in composite material for propulsion units such as gas turbine fan casings, air inlets or nacelle covers for aeronautical engines.
  • the fan housing serves several functions. It defines the air inlet stream into the engine, supports an abradable material facing the fan blade tips, supports a possible sound wave absorption structure for acoustic treatment at the engine inlet and incorporates or supports a retention shield.
  • the retention shield constitutes a debris trap trapping debris, such as ingested objects or fragments of damaged blades, projected by centrifugation, to prevent them from passing through the casing and reaching other parts of the aircraft .
  • the casings like the fan casing, are now made of composite material, that is to say from a fibrous preform densified by an organic matrix, which makes it possible to produce parts having a lower overall mass than these same parts when they are made of metallic material while having at least equivalent, if not greater, mechanical strength.
  • the retention shield is constituted by a portion of extra thickness obtained at the level of the fibrous reinforcement of the casing which has an evolving thickness.
  • the fibrous reinforcement is obtained by winding a texture 3D woven fibrous material which has an extra thickness portion capable of forming a retention shield.
  • the extra thickness portion must always have a significant dimension in the radial direction, which significantly increases the overall mass of the composite material part. The same applies to an air inlet or a nacelle cowl of a propulsion assembly.
  • the production of the fibrous preform comprises the formation of a fibrous blank in the form of a strip comprising at least one layer of continuous fibers and at least one layer of discontinuous fibers, the fibrous blank being shaped on the mandrel, said at least one layer of continuous fibers of the fibrous blank extending at least over a complete turn around the mandrel.
  • the method of the invention thus makes it possible to obtain a part made of composite material having an increased retention capacity thanks to the presence of one or more layers of discontinuous fibers in its fibrous reinforcement.
  • the layer(s) of discontinuous fibers are in fact capable of being damaged to dissipate energy in the event of impact with a projected object such as a blade in the case of an aeronautical engine casing (FBO for "Fan Blade”). Out”).
  • the layer(s) of continuous fibers ensure the cohesion and mechanical resistance of the part. It is thus possible to manufacture parts of revolution in composite material having a very good retention capacity without requiring too significant an increase in thickness, the parts having an overall mass lower than that of the parts in composite material of the prior art.
  • the layer(s) of staple fibers are a non-woven texture with long staple fibers or a mat of random fibers.
  • the layer(s) of continuous fibers are chosen from at least one of the following fibrous structures: three-dimensional woven structure, stack of unidirectional layers, stack of two-dimensional woven layers, braid.
  • the fibrous blank may comprise a single layer of continuous fibers corresponding to a strip-shaped fibrous structure having a three-dimensional weave between a plurality of warp threads and a plurality of weft threads.
  • the production of the fibrous preform includes winding the fibrous blank on the mandrel on one or more turns.
  • the fibrous blank may comprise a single layer of continuous fibers also corresponding to a fibrous structure in the form of a strip having a three-dimensional weave which comprises in the lengthwise direction a first part in which the warp threads are linked by the weft threads over the entire thickness of the fibrous structure and a second part comprising a debonding zone present at an intermediate position in the thickness of the fibrous structure and extending in the fibrous structure along a plane parallel to the surface of the fibrous structure , the debonding zone separating the fibrous structure into first and second skins, the layer of discontinuous fibers being placed between the first and second skins.
  • the production of the fibrous structure includes winding the fibrous blank on the mandrel over one or more turns.
  • the invention also relates to a part of revolution made of composite material for a propulsion assembly comprising a fibrous reinforcement, said fibrous reinforcement being densified by a matrix, characterized in that the fibrous reinforcement comprises in the direction of the thickness at least one layer of continuous fibers and at least one layer of discontinuous fibers.
  • the composite material part of the invention offers very good retention capacity while having a controlled thickness and, consequently, a reduced overall mass compared to that of the composite material parts of the art. prior.
  • the layer(s) of staple fibers are a non-woven texture with long staple fibers or a mat of random fibers.
  • the layer(s) of continuous fibers are chosen from at least one of the following fibrous structures: three-dimensional woven structure, stack of unidirectional layers, stack of two-dimensional woven layers, braid.
  • the fibrous reinforcement may comprise a single layer of continuous fibers consisting of a fibrous structure in the form of a strip having a three-dimensional or multilayer weave comprising a first part in which warp threads are linked by weft threads over the entire thickness of the fibrous structure and a second part comprising a debonding zone present at an intermediate position in the thickness of the fibrous structure, the debonding zone separating the fibrous structure into first and second skins, the layer of staple fibers being present between the first and second skins.
  • a casing comprising a ferrule comprising a portion of extra thickness forming a retention zone, the ferrule further comprising at its axial ends a flange.
  • Figure 1 is a perspective view and partial section of an aeronautical engine equipped with a fan casing made of composite material in accordance with one embodiment of the invention
  • FIG. 2 Figure 2 is a sectional view along plane ll-ll of the casing of figure 1
  • Figure 3 is a schematic perspective view of a loom showing the weaving of a fibrous texture used for the formation of the fibrous reinforcement of the casing of Figures 1 and 2
  • Figure 4 is a schematic perspective view of a continuous fiber layer
  • Figure 5 is a schematic perspective view of a layer with staple fibers
  • Figure 6 is a schematic perspective view of a fibrous blank formed with the layers of Figures 4 and 5 in accordance with one embodiment of the invention
  • Figure 7 is a schematic perspective view showing the shaping of the fibrous blank of Figure 6,
  • Figure 8 is a sectional view of a fibrous preform obtained from the fibrous blank of Figure 6,
  • Figure 9 is a schematic view showing tools for densifying the preform of Figure 8,
  • Figure 10 is a schematic perspective view showing the formation of a fibrous blank in accordance with another embodiment of the invention.
  • Figure 11 is a sectional view of a casing made from the fibrous blank of Figure 10.
  • the invention applies generally to any part of revolution made of composite material for a propulsion assembly, the part of revolution being likely to be exposed to impacts.
  • Such parts for propulsion units concern in particular, but not exclusively, gas turbine fan casings, nacelle air inlets and nacelle cowls present in aeronautical engines.
  • Such an engine comprises, from upstream to downstream in the direction of the flow of gas flow, a fan 1 arranged at the inlet of the engine, a compressor 2, a combustion chamber 3, a high-pressure turbine 4 and a low-pressure turbine 5.
  • the motor is housed inside a casing comprising several parts corresponding to different elements of the motor.
  • the fan 1 is surrounded by a fan casing 100.
  • FIG. 2 shows a profile of a fan casing 100 made of composite material as it can be obtained by a method according to the invention.
  • the internal surface 101 of the casing defines the air inlet vein. It can be provided with an abradable coating layer 102 to the right of the trajectory of the tips of the fan blades, a blade 13 being partially shown very schematically.
  • the abradable coating is therefore placed over only part of the length (in the axial direction) of the casing.
  • An acoustic treatment coating (not shown) can also be placed on the internal surface 101, particularly upstream of the abradable coating 102.
  • the casing 100 can be provided with external flanges 104, 105 at its upstream and downstream ends in order to allow its assembly and connection with other elements.
  • the casing 100 is made of composite material with fibrous reinforcement densified by a matrix.
  • the reinforcement is made of fibers, for example carbon, glass, aramid or ceramic
  • the matrix is made of polymer, for example epoxy, bismaleimide or polyimide, carbon or ceramic.
  • the fibrous reinforcement is formed by winding a fibrous blank onto a mandrel, the mandrel having a profile corresponding to that of the casing to be produced.
  • the fibrous reinforcement constitutes a complete tubular fibrous preform of the casing 100 forming a single piece with reinforcing parts corresponding to the flanges 104, 105.
  • the fibrous blank consists of at least one layer of continuous fibers and at least one layer of discontinuous fibers assembled together as described below.
  • the layer of continuous fibers is constituted by a fibrous structure in the form of a strip having a three-dimensional weave. More precisely and as illustrated in Figure 3, a fibrous structure 50 is produced in a known manner by weaving three-dimensional by means of a jacquard type loom 10 on which a bundle of warp threads or strands 20 has been arranged in a plurality of layers, the warp threads being linked by weft threads or strands 30.
  • the threads used for weaving the fibrous structure 50 are for example carbon fiber threads, for example HexTow® IM7, HexTow® AS4 or HexTow® AS7 fibers, or ceramic fibers such as silicon carbide, glass, or even aramid.
  • Wire gauge is typically 12k, 24k or 48k. Different types of wires can be used within the same preform.
  • the fibrous structure is produced by three-dimensional weaving.
  • three-dimensional weaving” or “3D weaving” we mean here a mode of weaving by which at least some of the weft threads bind warp threads on several layers of warp threads or vice versa.
  • An example of three-dimensional weaving is the so-called “interlock” weave.
  • interlock weaving, we mean here a weaving weave in which each layer of warp threads links several layers of weft threads with all the threads of the same column of warp having the same movement in the plane of the armor.
  • the fibrous structure 50 has a strip shape which extends in length in a direction corresponding to the direction of the wires or weft strands 30.
  • the fibrous structure 50 has a strip shape having a thickness E 50 , for example 5 mm, corresponding to a 3D weaving with between three and five layers of warp woven together in the plane and in the thickness of the strip using weft threads.
  • the fibrous structure 50 extends over a width l 50 defined as a function of the width of the casing to be manufactured, the width l 50 being able to be for example 2 m, and over a length L 50 defined as a function of the diameter of the casing to be manufactured and the desired number of turns in the fibrous reinforcement.
  • the length of the fibrous structure to be woven is approximately 25 m.
  • the layer of staple fibers consists of a mat of fibers.
  • fiber mat is meant a fibrous texture corresponding to an agglomerate of discontinuous fibers, the fibers generally being arranged randomly or in bulk so as to obtain isotropic behavior in the plane.
  • the production of the fiber mat can be adapted in order to obtain a mat with orthotropic properties making it possible to have modules in the plane as close as possible to the modules in the warp direction and/or in the weft direction of the structure. 3D woven fibrous material which may be different.
  • the percentage of fibers in the direction of the sheet and the transverse direction can be influenced by the speed of advance of the conveying system.
  • the faster the feed the more the fibers are oriented statistically in the direction of the roller. It is also possible to define drop wells which more or less reorient the fibers.
  • Figure 5 illustrates a fiber mat 60 in the form of a strip comprising fibers 61 randomly distributed over a thickness E 6 o preferably between 1 mm and 5 mm.
  • the fiber mat 60 has a width l 6 o equivalent to the width l 50 of the fibrous structure 50 and a length L 6 o less than the length L 50 of the fibrous structure 50 so that that only the fibrous structure 50 is present in the last winding turn of the fibrous blank.
  • the fiber mat 60 preferably comprises the same type of fibers as the fibrous structure 50.
  • the weight of the fiber mat is typically between 200 g/m 2 and 1000 g/m 2 even if higher weights can be used.
  • a fibrous blank 140 is then produced by arranging the fiber mat 60 on the 3D woven fibrous structure 50 as illustrated in Figure 6.
  • a step of sewing the assembly edges between the fiber mat 60 and the fibrous structure 50 can be also produced in order to hold them in position in the fibrous blank 140.
  • the fibrous blank 140 can be compacted in order to reduce the expansion before its winding.
  • a fibrous preform is then formed by winding in a direction S R on a mandrel 200 of the fibrous blank 140 with the fibrous structure 50 placed against the mandrel 200, the mandrel having a profile corresponding to that of the casing to be made.
  • the mandrel 200 has an external surface 201 whose profile corresponds to the internal surface of the casing to be produced. By its winding on the mandrel 200, the fibrous blank 140 follows the profile thereof.
  • the mandrel 200 also includes two flanges 220 and 230 to form parts of fibrous preform corresponding to the flanges 104 and 105 of the casing 100.
  • Figure 8 shows a sectional view of the fibrous preform 300 obtained after winding the fibrous blank 140 in several layers on the mandrel 200.
  • the number of turns or turns depends on the desired thickness and the thickness of the fibrous texture. It is preferably at least equal to 2.
  • the preform 300 comprises, according to the direction of its thickness, two layers 51 and 52 of fibrous structure 50 and two layers 62 and 63 of fiber mat 60, the layer 62 being interposed between the adjacent layers 51 and 52 while the layer 63 is present on the external periphery of the preform 300.
  • the fibrous preform 300 also comprises end parts 320, 330 corresponding to the flanges 104, 105 of the casing.
  • the densification of the fibrous preform consists of filling the porosity of the preform, in all or part of its volume, with the material constituting the matrix.
  • the matrix can be obtained in a manner known per se following the liquid process.
  • the liquid process consists of impregnating the preform with a liquid composition containing an organic precursor of the matrix material.
  • the organic precursor is usually in the form of a polymer, such as a resin, optionally diluted in a solvent.
  • the fibrous preform is placed in a sealable mold with a housing having the shape of the final molded part. As illustrated in Figure 9, the fibrous preform 300 is here placed between a plurality of sectors 240 forming a counter-mold and the mandrel 200 forming a support, these elements respectively having the exterior shape and the interior shape of the casing to be produced. Then, the liquid matrix precursor, for example a resin, is injected throughout the housing to impregnate the entire fibrous part of the preform.
  • the liquid matrix precursor for example a resin
  • the transformation of the precursor into an organic matrix is carried out by heat treatment, generally by heating the mold, after elimination of any solvent and crosslinking of the polymer, the preform always being maintained in the mold having a shape corresponding to that of the part to be made.
  • the organic matrix can in particular be obtained from epoxy resins, such as, for example, the high-performance epoxy resin sold, or from liquid precursors of carbon or ceramic matrices.
  • the heat treatment consists of pyrolyzing the organic precursor to transform the organic matrix into a carbon or ceramic matrix depending on the precursor used and the pyrolysis conditions.
  • liquid carbon precursors can be resins with a relatively high coke content, such as phenolic resins
  • liquid ceramic precursors, in particular SiC can be polycarbosilane (PCS) type resins. or polytitanocarbosilane (PTCS) or polysilazane (PSZ).
  • PCS polycarbosilane
  • PTCS polytitanocarbosilane
  • PSZ polysilazane
  • the densification of the fibrous preform can be carried out by the well-known transfer molding process known as RTM ("Resin Transfer Molding").
  • RTM Resin Transfer Molding
  • the fibrous preform is placed in a mold presenting the shape of the casing to be produced.
  • a thermosetting resin is injected into the internal space defined between the mandrel 200 and the counter-molds 240.
  • the resin used can be, for example, an epoxy resin.
  • Resins suitable for RTM processes are well known. They preferably have a low viscosity to facilitate their injection into the fibers. The choice of the temperature class and/or the chemical nature of the resin is determined according to the thermomechanical stresses to which the part must be subjected. Once the resin has been injected throughout the reinforcement, it is polymerized by heat treatment in accordance with the RTM process.
  • the casing 100 of composite material thus comprises a fibrous reinforcement constituted in the direction of its thickness of two layers 51 and 52 of fibrous structure 50 and two layers 62 and 63 of fiber mat 60, the layer 62 being interposed between adjacent layers 51 and 52 while layer 63 is present on the external periphery of the casing 100.
  • the number of turns or turns of layers of continuous fibers (here the fibrous structure 50) is a function of the thickness desired and the thickness of the layer. It is preferably at least equal to 2.
  • the number of turns or turns of layers of discontinuous fibers (here the fiber mat 60) is a function of the desired retention capacity.
  • the casing 100 thus presents over its entire width a retention zone or shield capable of retaining debris, particles or objects ingested at the engine inlet, or coming from damaged fan blades, and projected radially by rotation of the fan, to prevent them from passing through the casing and damaging other parts of the aircraft.
  • the layer of discontinuous fibers constituted here by the fiber mat 60 may have a width less than that of the layer of continuous fibers constituted here by the fibrous structure 50. In this case, the layer of discontinuous fibers forms an extra thickness in the casing as described below corresponding to the crankcase retention zone or shield.
  • FIG 10 illustrates the formation of a fibrous blank 440 according to another embodiment of the invention.
  • the fibrous blank 440 is formed by assembling a layer of continuous fibers with a layer of discontinuous fibers. More precisely and as illustrated in Figure 10, a fibrous structure 70 is produced in a known manner by 3D weaving with for example carbon fiber threads, for example HexTow® IM7, HexTow® AS4 or HexTow® AS7 fibers, or ceramic such as silicon carbide, glass, or even aramid.
  • Wire gauge is typically 12k, 24k or 48k. Different types of wires can be used within the same preform.
  • the fibrous structure 70 has a strip shape which extends in length in a direction direction of the weft threads or strands.
  • the fibrous structure 70 has the shape of a strip having a thickness E 7 o, for example of 10 mm corresponding to a 3D weave with between six and ten layers of warp woven together in the plane and in the thickness of the strip using weft threads.
  • the fibrous structure 70 extends over a width l 70 defined as a function of the width of the casing to be manufactured, the width l 70 being able to be for example 2 m, and over a length L 70 defined as a function of the diameter of the casing to be manufactured and the desired number of turns in the fibrous reinforcement.
  • the length of the fibrous structure to be woven is approximately 25 m.
  • the length can be extended to prevent the start and end of the fibrous structure from being at the same angular position, which could create a weakness in the part.
  • the fibrous blank 440 further comprises a layer of staple fibers.
  • the layer of staple fibers consists of a non-woven texture with long staple fibers 80 (DLF).
  • the long staple fibers have a length of between 8 mm and 100 mm, for example 12.5, 25 or 50 mm.
  • the non-woven texture with long discontinuous fibers 80 has dimensions smaller than the fibrous structure 70 so as to form an extra thickness portion in the final casing as described below.
  • the texture 80 has a strip shape having a width l 80 less than the width l 70 of the fibrous structure 70 and a length L 8 o corresponding less than or equal to half the length L 70 of the fibrous structure 70 of so that only the fibrous structure 70 is present in the first or last winding turn of the fibrous blank following the winding arrangement of the blank on the mandrel.
  • the texture 80 has a thickness E 80 preferably between 1 mm and 5 mm.
  • the texture 80 preferably comprises the same type of fibers as the fibrous structure 70.
  • the fibrous texture 80 is preferably compacted before its insertion into the structure 70.
  • the fibrous structure 70 can also be compacted in order to facilitate the insertion of the texture 80.
  • the fibrous blank 440 further differs from the fibrous blank 140 described above in that the non-woven texture with long discontinuous fibers 80 is inserted into an untied portion of the fibrous structure 70. More precisely, the fibrous structure 70 comprises a first part 75 comprising an internal zone unbinding 71 and a second part 76 without unbinding. The first part 75 can for example have a length of 12 m while the second part can have a length of 13 m. In this case, the nonwoven texture with long discontinuous fibers 80 has a length less than or equal to 12 m.
  • the detachment zone 71 locally forms in the fibrous structure 70 first and second superimposed skins 73 and 74 and separated from each other along a plane parallel to the surface of the fibrous structure 70 so as to delimit a housing between them internal 72.
  • the unbinding zone 71 is obtained by defining a plane parallel to the surface of the fibrous structure 70 and typically located at half the thickness E 70 of the structure 70 which is not crossed by of weft threads.
  • the weft threads present in the first skin 73 do not extend into the layers of warp threads of the second skin 74 while the weft threads present in the second skin 74 do not do not extend into the layers of warp threads of the first skin 73 in order to form the unbinding zone 71.
  • the skins 73 and 74 each comprise, for example, three to five layers of warp woven together in the plane and in the thickness of the strip using weft threads.
  • the skins can of course have a different number of warp layers.
  • the unbinding zone does not extend to the lateral edges of the fibrous structure, thus forming a “sock”-shaped housing.
  • the unbinding zone can, however, extend to the lateral edges of the fibrous structure, thus separating the fibrous structure into two skins over its entire width.
  • the fibrous blank 440 is formed by inserting the non-woven texture with long discontinuous fibers 80 into the housing 72 of the fibrous structure 70 as illustrated in Figure 10.
  • a fibrous preform is then formed by winding the fibrous blank 440 on a mandrel as for the fibrous blank 140 of Figure 7.
  • Winding on the mandrel can begin with the first part 75 or the second part 76 of the fibrous structure 70 depending on the stacking order that one wishes to obtain in the direction of thickness (i.e. first skin 73, texture 80, second skin 74 and second part 76 or second part 76, first skin 73, texture 80 and second skin 74).
  • first skin 73, texture 80, second skin 74 and second part 76 or second part 76, first skin 73, texture 80 and second skin 74 it is the first part 75 of the fibrous structure 70 which is wound first on the mandrel.
  • the part After injection and polymerization, the part is demolded. Finally, the part is trimmed to remove excess resin and the chamfers are machined to obtain a casing 600 illustrated in Figure 1 1.
  • the internal surface 601 of the casing defines the air inlet vein. It can be provided with an abradable coating layer and/or an acoustic treatment coating (not shown in Figure 1 1).
  • the casing 600 here has external flanges 604, 605 at its upstream and downstream ends in order to allow its assembly and connection with other elements.
  • the casing 600 made of composite material thus comprises a fibrous reinforcement consisting, between its internal periphery and its external periphery, of the first skin 73 of the first part 75 of the fibrous structure 70, of the non-woven texture with long discontinuous fibers 80, of the second skin 74 of the first part 75 of the fibrous structure 70 and of the second part 76 of the fibrous structure 70.
  • the number of turns or turns of layers of continuous fibers (here the fibrous structure 70) is a function of the thickness desired and the thickness of the layer. It is preferably at least equal to 2.
  • the number of turns or turns of layers of staple fibers (here the non-woven texture with long staple fibers 80) is a function of the desired retention capacity.
  • the casing 600 further comprises an extra thickness portion 610 formed by the insertion of the non-woven texture with long discontinuous fibers 80 into the fibrous structure 70.
  • This extra thickness portion forms a zone or shield of retention capable of retaining debris, particles or objects ingested at the engine inlet, or coming from damaged fan blades, and projected radially by rotation of the fan, to prevent them from crossing the casing and damaging other parts of the aircraft.
  • the presence of a layer of staple fibers over the entire width of the part (casing 100) or over part of the width of the part (casing 600) makes it possible to give the part a very good retention capacity.
  • the layer of continuous fibers is a strip having a 3D weave.
  • the layer of continuous fibers can also be a stack of unidirectional layers, a stack of two-dimensional woven layers, or even a braid.
  • the layer of staple fibers may in particular be a non-woven texture with long staple fibers or a mat of random fibers.

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Abstract

Un procédé de fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite (100) pour ensemble propulsif comprend : - la réalisation d'une préforme fibreuse sur un mandrin (200) ayant un profil correspondant à celui de la pièce à fabriquer, et - la densification de la préforme fibreuse par une matrice. La réalisation de la préforme fibreuse comprend la formation d'une ébauche fibreuse (140) sous forme de bande comprenant au moins une couche de fibres continues et au moins une couche de fibres discontinues, l'ébauche fibreuse étant mise en forme sur le mandrin, la couche de fibres continues de l'ébauche fibreuse s'étendant au moins sur un tour complet autour du mandrin (200).

Description

Description
Titre de l'invention : Pièce de révolution en matériau composite à capacité de rétention améliorée
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces de révolution en matériau composite pour ensemble propulsif telles que des carters de soufflante de turbine à gaz, entrées d’air ou capots de nacelle pour moteurs aéronautiques.
Technique antérieure
Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, le carter de soufflante remplit plusieurs fonctions. Il définit la veine d'entrée d'air dans le moteur, supporte un matériau abradable en regard des sommets d'aubes de la soufflante, supporte une structure éventuelle d'absorption d'ondes sonores pour le traitement acoustique en entrée du moteur et incorpore ou supporte un bouclier de rétention. Le bouclier de rétention constitue un piège à débris retenant les débris, tels que des objets ingérés ou des fragments d'aubes endommagées, projetés par centrifugation, afin d'éviter qu'ils traversent le carter et atteignent d'autres parties de l'aéronef.
Précédemment réalisés en matériau métallique, les carters, comme le carter de soufflante, sont maintenant réalisés en matériau composite, c’est-à-dire à partir d’une préforme fibreuse densifiée par une matrice organique, ce qui permet de réaliser des pièces ayant une masse globale moins élevée que ces mêmes pièces lorsqu'elles sont réalisées en matériau métallique tout en présentant une résistance mécanique au moins équivalente sinon supérieure.
La fabrication d’un carter de soufflante en matériau composite à matrice organique est notamment décrite dans le document US 8 322 971 . Dans le carter divulgué dans le document US 8 322 971 , le bouclier de rétention est constitué par une portion de surépaisseur obtenue au niveau du renfort fibreux du carter qui présente une épaisseur évolutive. Le renfort fibreux est obtenu par enroulement d’une texture fibreuse tissée 3D qui présente une portion de surépaisseur apte à former un bouclier de rétention.
Cependant, afin d’être en mesure de contenir des débris projetés avec une très grande énergie comme dans le cas de la perte d’une aube, la portion de surépaisseur doit toujours présenter une dimension importante dans la direction radiale, ce qui augmente significativement la masse globale de la pièce en matériau composite. Il en est de même pour une entrée d’air ou un capot de nacelle d’un ensemble propulsif.
Exposé de l’invention
Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d’une solution pour disposer d’une pièce de révolution en matériau composite pour ensemble propulsif présentant une masse globale inférieure à celle des carters en matériau composite de l’art antérieur tout en ayant une capacité de rétention au moins équivalente sinon supérieure.
A cet effet, selon l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite pour ensemble propulsif comprenant :
- la réalisation d’une préforme fibreuse sur un mandrin ayant un profil correspondant à celui de la pièce à fabriquer, et
- la densification de la préforme fibreuse par une matrice, caractérisé en ce que la réalisation de la préforme fibreuse comprend la formation d’une ébauche fibreuse sous forme de bande comprenant au moins une couche de fibres continues et au moins une couche de fibres discontinues, l’ébauche fibreuse étant mise en forme sur le mandrin, ladite au moins une couche de fibres continues de l’ébauche fibreuse s’étendant au moins sur un tour complet autour du mandrin.
Le procédé de l’invention permet ainsi d’obtenir une pièce en matériau composite ayant une capacité de rétention accrue grâce à la présence d’une ou plusieurs couches de fibres discontinues dans son renfort fibreux. La ou les couches de fibres discontinues sont en effet aptes à s’endommager pour dissiper l’énergie en cas d’impact avec un objet projeté tel qu’une aube dans le cas d’un carter de moteur aéronautique (FBO pour « Fan Blade Out »). La ou les couches de fibres continues assurent quant à elles la cohésion et la résistance mécaniques de la pièce. Il est ainsi possible de fabriquer des pièces de révolution en matériau composite ayant une très bonne capacité de rétention sans nécessiter une augmentation d’épaisseur trop importante, les pièces présentant une masse globale inférieure à celle des pièces en matériau composite de l’art antérieur.
Selon un aspect du procédé de l’invention, la ou les couches de fibres discontinues sont une texture non tissée à fibres longues discontinues ou un mat de fibres aléatoires.
Selon un autre aspect du procédé de l’invention, la ou les couches de fibres continues sont choisies parmi au moins une des structures fibreuses suivantes : structure tissée tridimensionnelle, empilement de strates unidirectionnelles, empilement de strates tissées bidimensionnelles, tresse. L’ébauche fibreuse peut comprendre une seule couche de fibres continues correspondant à une structure fibreuse en forme de bande présentant un tissage tridimensionnel entre une pluralité de fils de chaîne et une pluralité de fils de trame. Dans ce cas, la réalisation de la préforme fibreuse comprend l’enroulement sur le mandrin de l’ébauche fibreuse sur un ou plusieurs tours. L’ébauche fibreuse peut comprendre une seule couche de fibres continues correspondant également à une structure fibreuse en forme de bande présentant un tissage tridimensionnel qui comporte dans le sens de la longueur une première partie dans laquelle les fils de chaîne sont liés par les fils de trame sur toute l’épaisseur de la structure fibreuse et une deuxième partie comprenant une zone de déliaison présente à une position intermédiaire dans l’épaisseur de la structure fibreuse et s’étendant dans la structure fibreuse suivant un plan parallèle à la surface de la structure fibreuse, la zone de déliaison séparant la structure fibreuse en des première et deuxième peaux, la couche de fibres discontinues étant disposée entre les première et deuxième peaux. Dans ce cas, la réalisation de la structure fibreuse comprend l’enroulement sur le mandrin de l’ébauche fibreuse sur un ou plusieurs tours.
L’invention a également pour objet une pièce de révolution en matériau composite pour ensemble propulsif comprenant un renfort fibreux, ledit renfort fibreux étant densifié par une matrice, caractérisée en ce que le renfort fibreux comprend dans le sens de l’épaisseur au moins une couche de fibres continues et au moins une couche de fibres discontinues. Comme expliqué ci-avant, la pièce en matériau composite de l’invention offre une très bonne capacité de rétention tout en ayant une épaisseur maîtrisée et, par conséquent, une masse globale réduite par rapport à celle des pièces en matériau composite de l’art antérieur.
Selon un aspect de la pièce de l’invention, la ou les couches de fibres discontinues sont une texture non tissée à fibres longues discontinues ou un mat de fibres aléatoires.
Selon un autre aspect de la pièce de l’invention, la ou les couches de fibres continues sont choisies parmi au moins une des structures fibreuses suivantes : structure tissée tridimensionnelle, empilement de strates unidirectionnelles, empilement de strates tissées bidimensionnelles, tresse. Le renfort fibreux peut comprendre une seule couche de fibres continues constituée d’une structure fibreuse en forme de bande présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche comportant une première partie dans laquelle des fils de chaîne sont liés par des fils de trame sur toute l’épaisseur de la structure fibreuse et une deuxième partie comprenant une zone de déliaison présente à une position intermédiaire dans l’épaisseur de la structure fibreuse, la zone de déliaison séparant la structure fibreuse en des première et deuxième peaux, la couche de fibres discontinues étant présente entre les première et deuxième peaux.
Selon un autre aspect de la pièce de l’invention, celle-ci correspond à un carter comprenant une virole comportant une portion de surépaisseur formant une zone de rétention, la virole comportant en outre à ses extrémités axiales une bride.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective et en coupe partielle d’un moteur aéronautique équipé d’un carter de soufflante en matériau composite conformément à un mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe selon le plan ll-ll du carter de la figure 1 , [Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique en perspective d’un métier à tisser montrant le tissage d’une texture fibreuse utilisée pour la formation du renfort fibreux du carter des figures 1 et 2, [Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en perspective d’une couche à fibres continues,
[Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique en perspective d’une couche à fibres discontinues,
[Fig. 6] La figure 6 est une vue schématique en perspective d’une ébauche fibreuse formée avec les couches des figures 4 et 5 conformément à un mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 7] La figure 7 est une vue schématique en perspective montrant la mise en forme de l’ébauche fibreuse de la figure 6,
[Fig. 8] La figure 8 est une vue en coupe d’une préforme fibreuse obtenue à partir de l’ébauche fibreuse de la figure 6,
[Fig. 9] La figure 9 est une vue schématique montrant un outillage de densification de la préforme de la figure 8,
[Fig. 10] La figure 10 est une vue schématique en perspective montrant la formation d’une ébauche fibreuse conformément à un autre mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 11] La figure 11 est une vue en coupe d’un carter réalisé à partir de l’ébauche fibreuse de la figure 10.
Description des modes de réalisation
L'invention s'applique d'une manière générale à toute pièce de révolution en matériau composite pour ensemble propulsif, la pièce de révolution étant susceptible d’être exposée à des impacts. De telles pièces pour ensemble propulsif concernent notamment, mais non exclusivement des carters de soufflante de turbine à gaz, des entrées d’air de nacelle et des capots de nacelle présentes dans des moteurs aéronautiques.
L'invention sera décrite ci-après dans le cadre de son application à un carter de soufflante de moteur aéronautique à turbine à gaz.
Un tel moteur, comme montré très schématiquement par la figure 1 comprend, de l'amont vers l'aval dans le sens de l'écoulement de flux gazeux, une soufflante 1 disposée en entrée du moteur, un compresseur 2, une chambre de combustion 3, une turbine haute-pression 4 et une turbine basse pression 5.
Le moteur est logé à l'intérieur d'un carter comprenant plusieurs parties correspondant à différents éléments du moteur. Ainsi, la soufflante 1 est entourée par un carter de soufflante 100.
La figure 2 montre un profil de carter de soufflante 100 en matériau composite tel qu'il peut être obtenu par un procédé selon l'invention. La surface interne 101 du carter définit la veine d'entrée d'air. Elle peut être munie d'une couche de revêtement abradable 102 au droit de la trajectoire des sommets d'aubes de la soufflante, une aube 13 étant partiellement montrée de façon très schématique. Le revêtement abradable est donc disposé sur une partie seulement de la longueur (en direction axiale) du carter. Un revêtement de traitement acoustique (non représenté) peut en outre être disposé sur la surface interne 101 notamment en amont du revêtement abradable 102.
Le carter 100 peut être muni de brides externes 104, 105 à ses extrémités amont et aval afin de permettre son montage et sa liaison avec d'autres éléments.
Le carter 100 est réalisé en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice. Le renfort est en fibres par exemple de carbone, verre, aramide ou céramique et la matrice est en polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide, en carbone ou en céramique.
Dans l’exemple décrit ici, le renfort fibreux est formé par enroulement sur un mandrin d'une ébauche fibreuse, le mandrin ayant un profil correspondant à celui du carter à réaliser. Avantageusement, le renfort fibreux constitue une préforme fibreuse tubulaire complète du carter 100 formant une seule pièce avec des parties de renfort correspondant aux brides 104, 105.
Conformément à l’invention, l’ébauche fibreuse est constituée d’au moins une couche de fibres continues et d’au moins une couche fibres discontinues assemblées ensemble comme décrit ci-après. Dans l’exemple décrit ici, la couche de fibres continues est constituée par une structure fibreuse en forme de bande présentant un tissage tridimensionnel. Plus précisément et comme illustré sur la figure 3, une structure fibreuse 50 est réalisée de façon connue par tissage tridimensionnel au moyen d'un métier à tisser de type jacquard 10 sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaîne ou torons 20 en une pluralité de couches, les fils de chaîne étant liés par des fils ou torons de trame 30. Les fils utilisés pour le tissage de la structure fibreuse 50 sont par exemple des fils en fibres de carbone, par exemple des fibres HexTow® IM7, HexTow® AS4 ou HexTow® AS7, ou de céramique telle que du carbure de silicium, de verre, ou encore d’aramide. Le titre des fils est typiquement de 12k, 24k ou 48k. Différents types de fils peuvent être utilisés au sein d’une même préforme. La structure fibreuse est réalisée par tissage tridimensionnel. Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de trame lient des fils de chaîne sur plusieurs couches de fils de chaîne ou inversement. Un exemple de tissage tridimensionnel est le tissage dit à armure « interlock >>. Par tissage « interlock >>, on entend ici une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de chaîne lie plusieurs couches de fils de trame avec tous les fils d'une même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l'armure.
Comme illustrée sur les figures 3 et 4, la structure fibreuse 50 présente une forme de bande qui s’étend en longueur dans une direction X correspondant à la direction de défilement des fils ou torons de chaîne 20 et en largeur ou transversalement dans une direction Y correspondant à la direction des fils ou torons de trame 30.
Comme illustré sur la figure 4, la structure fibreuse 50 présente une forme de bande ayant une épaisseur E50, par exemple de 5 mm, correspondant à un tissage 3D avec entre trois et cinq couches de chaîne tissés entre elles dans le plan et dans l’épaisseur de la bande à l’aide de fils de trame. La structure fibreuse 50 s’étendant sur une largeur l50 définie en fonction de la largeur du carter à fabriquer, la largeur l50 pouvant être par exemple de 2 m, et sur une longueur L50 définie en fonction du diamètre du carter à fabriquer et du nombre de tours souhaité dans le renfort fibreux. A titre d’exemple, pour fabriquer un carter assimilé cylindrique de 4 m de diamètre en faisant 2 tours d’ébauche, la longueur de la structure fibreuse à tisser est de 25 m environ. La longueur peut être allongée afin d’éviter que le début et la fin de la structure fibreuse ne se retrouvent à la même position angulaire, ce qui pourrait créer une faiblesse dans la pièce. Dans l’exemple décrit ici, la couche de fibres discontinues est constituée d’un mat de fibres. Par « mat de fibres », on entend une texture fibreuse correspondant à un agglomérat de fibres discontinues, les fibres étant généralement disposées de façon aléatoire ou en vrac de manière à obtenir un comportement isotrope dans le plan. Dans l’invention, la réalisation du mat de fibres peut être adaptée afin d’obtenir un mat avec des propriétés orthotropes permettant d’avoir des modules dans le plan au plus près des modules en sens chaîne et/ou en sens trame de la structure fibreuse tissée 3D qui peuvent être différents. Dans ce cas, le pourcentage de fibres dans le sens de la nappe et le sens transverse peut être influencé par la vitesse d’avance du système de convoyage. Plus l’avance est rapide plus les fibres sont orientées statistiquement dans le sens du rouleau. Il est aussi possible de définir des puits de chuts qui réorientent plus ou moins les fibres.
La figure 5 illustre un mat de fibres 60 en forme de bande comprenant des fibres 61 réparties aléatoirement sur une épaisseur E6o comprise de préférence entre 1 mm et 5 mm. Dans l’exemple décrit ici, le mat de fibre 60 présente une largeur l6o équivalente à la largeur l50 de la structure fibreuse 50 et une longueur L6o inférieure à la longueur L50 de la structure fibreuse 50 de manière à ce que seule la structure fibreuse 50 soit présente dans le dernier tour d’enroulement de l’ébauche fibreuse. Le mat de fibres 60 comporte de préférence le même type de fibres que la structure fibreuse 50. Le grammage du mat de fibres est typiquement compris entre 200 g/m2 et 1000 g/m2 même si des grammages supérieurs peuvent être utilisés.
Une ébauche fibreuse 140 est ensuite réalisée en disposant le mat de fibres 60 sur la structure fibreuse tissée 3D 50 comme illustré sur la figure 6. Une étape de couture des bords d’assemblage entre le mat de fibres 60 et la structure fibreuse 50 peut être également réalisée afin de les maintenir en position dans l’ébauche fibreuse 140. L’ébauche fibreuse 140 peut être compactée afin de réduire le foisonnement avant son enroulement.
Comme illustré sur la figure 7, une préforme fibreuse est alors formée par enroulement suivant un sens SR sur un mandrin 200 de l’ébauche fibreuse 140 avec la structure fibreuse 50 disposée contre le mandrin 200, le mandrin ayant un profil correspondant à celui du carter à réaliser. Le mandrin 200 présente une surface externe 201 dont le profil correspond à la surface interne du carter à réaliser. Par son enroulement sur le mandrin 200, l’ébauche fibreuse 140 épouse le profil de celui-ci. Le mandrin 200 comporte également deux flasques 220 et 230 pour former des parties de préforme fibreuse correspondant aux brides 104 et 105 du carter 100.
La figure 8 montre une vue en coupe de la préforme fibreuse 300 obtenue après enroulement de l’ébauche fibreuse 140 en plusieurs couches sur le mandrin 200. Le nombre de tours ou spires est fonction de l'épaisseur désirée et de l'épaisseur de la texture fibreuse. Il est de préférence au moins égal à 2. Dans l’exemple décrit ici, la préforme 300 comprend suivant le sens de son épaisseur deux couches 51 et 52 de structure fibreuse 50 et deux couches 62 et 63 de mat de fibre 60, la couche 62 étant interposée entre les couches adjacentes 51 et 52 tandis que la couche 63 est présente sur la périphérie externe de la préforme 300. La préforme fibreuse 300 comprend également des parties d'extrémité 320, 330 correspondant aux brides 104, 105 du carter.
On procède ensuite à la densification de la préforme fibreuse 300 par une matrice.
La densification de la préforme fibreuse consiste à combler la porosité de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice.
La matrice peut être obtenue de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide.
Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur organique du matériau de la matrice. Le précurseur organique se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme fibreuse est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée. Comme illustré sur la figure 9, la préforme fibreuse 300 est ici placée entre une pluralité de secteurs 240 formant contre-moule et le mandrin 200 formant support, ces éléments présentant respectivement la forme extérieure et la forme intérieure du carter à réaliser. Ensuite, on injecte le précurseur liquide de matrice, par exemple une résine, dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme. La transformation du précurseur en matrice organique, à savoir sa polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser. La matrice organique peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, telle que, par exemple, la résine époxyde à hautes performances vendue, ou de précurseurs liquides de matrices carbone ou céramique.
Dans le cas de la formation d'une matrice carbone ou céramique, le traitement thermique consiste à pyrolyser le précurseur organique pour transformer la matrice organique en une matrice carbone ou céramique selon le précurseur utilisé et les conditions de pyrolyse. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques, tandis que des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité.
Selon un aspect de l'invention, la densification de la préforme fibreuse peut être réalisée par le procédé bien connu de moulage par transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on place la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme du carter à réaliser. Une résine thermodurcissable est injectée dans l'espace interne délimité entre le mandrin 200 et les contres-moules 240.
La résine utilisée peut être, par exemple, une résine époxyde. Les résines adaptées pour les procédés RTM sont bien connues. Elles présentent de préférence une faible viscosité pour faciliter leur injection dans les fibres. Le choix de la classe de température et/ou la nature chimique de la résine est déterminé en fonction des sollicitations thermomécaniques auxquelles doit être soumise la pièce. Une fois la résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par traitement thermique conformément au procédé RTM.
Après l'injection et la polymérisation, la pièce est démoulée. Au final, la pièce est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés pour obtenir le carter 100 illustré en figures 1 et 2. Le carter 100 en matériau composite comprend ainsi un renfort fibreux constitué dans le sens de son épaisseur de deux couches 51 et 52 de structure fibreuse 50 et deux couches 62 et 63 de mat de fibres 60, la couche 62 étant interposée entre les couches adjacentes 51 et 52 tandis que la couche 63 est présente sur la périphérie externe du carter 100. Le nombre de tours ou spires de couches de fibres continues (ici la structure fibreuse 50) est fonction de l'épaisseur désirée et de l'épaisseur de la couche. Il est de préférence au moins égal à 2. Le nombre de tours ou spires de couches de fibres discontinues (ici le mat de fibres 60) est fonction de la capacité de rétention désirée. Le carter 100 présente ainsi sur toute sa largeur une zone ou un bouclier de rétention capable de retenir des débris, particules ou objets ingérés en entrée du moteur, ou provenant de l'endommagement d'aubes de la soufflante, et projetés radialement par rotation de la soufflante, pour éviter qu'ils traversent le carter et endommagent d'autres parties de l'aéronef. La couche de fibres discontinues constituée ici par le mat de fibres 60 peut avoir une largeur inférieure à celle de la couche de fibres continues constituée ici par la structure fibreuse 50. Dans ce cas, la couche de fibres discontinues forme une surépaisseur dans le carter comme décrit ci-après correspondant à la zone ou bouclier de rétention du carter.
La figure 10 illustre la formation d’une ébauche fibreuse 440 selon un autre mode de réalisation de l’invention. L’ébauche fibreuse 440 est formée par l’assemblage d’une couche de fibres continues avec une couche de fibres discontinues. Plus précisément et comme illustré sur la figure 10, une structure fibreuse 70 est réalisée de façon connue par tissage 3D avec par exemple des fils en fibres de carbone, par exemple des fibres HexTow® IM7, HexTow® AS4 ou HexTow® AS7, ou de céramique telle que du carbure de silicium, de verre, ou encore d’aramide. Le titre des fils est typiquement de 12k, 24k ou 48k. Différents types de fils peuvent être utilisés au sein d’une même préforme.
Comme illustrée sur la figure 10, la structure fibreuse 70 présente une forme de bande qui s’étend en longueur dans une direction X correspondant à la direction de défilement des fils ou torons de chaîne et en largeur ou transversalement dans une direction Y correspondant à la direction des fils ou torons de trame. La structure fibreuse 70 présente une forme de bande ayant une épaisseur E7o, par exemple de 10 mm correspondant à un tissage 3D avec entre six et dix couches de chaîne tissés entre elles dans le plan et dans l’épaisseur de la bande à l’aide de fils de trame. La structure fibreuse 70 s’étendant sur une largeur l70 définie en fonction de la largeur du carter à fabriquer, la largeur l70 pouvant être par exemple de 2 m, et sur une longueur L70 définie en fonction du diamètre du carter à fabriquer et du nombre de tours souhaité dans le renfort fibreux. A titre d’exemple, pour fabriquer un carter assimilé cylindrique de 4 m de diamètre en faisant 2 tours de préforme, la longueur de la structure fibreuse à tisser est de 25 m environ. La longueur peut être allongée afin d’éviter que le début et la fin de la structure fibreuse ne se retrouvent à la même position angulaire, ce qui pourrait créer une faiblesse dans la pièce.
L’ébauche fibreuse 440 comprend en outre une couche de fibres discontinues. Dans l’exemple décrit ici, la couche de fibres discontinues est constituée par une texture non tissée à fibres longues discontinues 80 (DLF). Les fibres longues discontinues présentent une longueur comprise entre 8 mm et 100 mm, par exemple 12,5, 25 ou 50 mm.
Dans l’exemple décrit ici, la texture non tissée à fibres longues discontinues 80 présente des dimensions inférieures à la structure fibreuse 70 de manière à former une portion de surépaisseur dans le carter final comme décrit ci-après. Ainsi, la texture 80 présente une forme de bande ayant une largeur l80 inférieure à la largeur l70 de la structure fibreuse 70 et une longueur L8o correspondant inférieure ou égale à la moitié de la longueur L70 de la structure fibreuse 70 de manière à ce que seule la structure fibreuse 70 soit présente dans le premier ou le dernier tour d’enroulement de l’ébauche fibreuse suivant la disposition d’enroulement de l’ébauche sur le mandrin. La texture 80 présente une épaisseur E80 comprise de préférence entre 1 mm et 5 mm. La texture 80 comporte de préférence le même type de fibres que la structure fibreuse 70. La texture fibreuse 80 est de préférence compactée avant son insertion dans la structure 70. La structure fibreuse 70 peut être elle aussi compactée afin de faciliter l’insertion de la texture 80.
L’ébauche fibreuse 440 diffère en outre de l’ébauche fibreuse 140 décrite précédemment en ce que la texture non tissée à fibres longues discontinues 80 est insérée dans une portion déliée de la structure fibreuse 70. Plus précisément, la structure fibreuse 70 comprend une première partie 75 comportant une zone interne de déliaison 71 et une deuxième partie 76 sans déliaison. La première partie 75 peut par exemple avoir une longueur de 12 m tandis que la deuxième partie peut avoir une longueur de 13 m. Dans ce cas, la texture non tissée à fibres longues discontinues 80 présente une longueur inférieure ou égale à 12 m. La zone de déliaison 71 forme localement dans la structure fibreuse 70 des première et deuxième peaux superposées 73 et 74 et séparées l’une de l’autre suivant un plan parallèle à la surface de la structure fibreuse 70 de manière à délimiter entre elles un logement interne 72. De façon connue, la zone de déliaison 71 est obtenue en définissant un plan parallèle à la surface de la structure fibreuse 70 et localisé typiquement à la moitié de l’épaisseur E70 de la structure 70 qui n’est pas traversé par de fils de trame. Plus précisément, dans l’exemple décrit ici, les fils de trame présents dans la première peau 73 ne s’étendent pas dans les couches de fils de chaîne de la deuxième peau 74 tandis que les fils de trame présents dans la deuxième peau 74 ne s’étendent pas dans les couches de fils de chaîne de la première peau 73 afin de former la zone de déliaison 71 . Les peaux 73 et 74 comporte chacune par exemple trois à cinq couches de chaîne tissés entre elles dans le plan et dans l’épaisseur de la bande à l’aide de fils de trame. Les peaux peuvent bien entendu comporter un nombre de couches de chaîne différent.
Toujours dans l’exemple décrit ici, la zone de déliaison ne s’étend pas jusqu’aux bords latéraux de la structure fibreuse formant ainsi un logement en forme de « chaussette ». La zone de déliaison peut toutefois s’étendre jusqu’aux bords latéraux de la structure fibreuse séparant ainsi la structure fibreuse en deux peaux sur toute la largeur de celle-ci.
L’ébauche fibreuse 440 est formée par insertion de la texture non tissée à fibres longues discontinues 80 dans le logement 72 de la structure fibreuse 70 comme illustrée sur la figure 10.
Une préforme fibreuse est alors formée par enroulement sur un mandrin de l’ébauche fibreuse 440 comme pour l’ébauche fibreuse 140 de la figure 7.
L’enroulement sur le mandrin peut débuter avec la première partie 75 ou la deuxième partie 76 de la structure fibreuse 70 en fonction de l’ordre d’empilement que l’on souhaite obtenir dans le sens de l’épaisseur (à savoir première peau 73, texture 80, deuxième peau 74 et deuxième partie 76 ou deuxième partie 76, première peau 73, texture 80 et deuxième peau 74). Dans l’exemple décrit ici, c’est la première partie 75 de la structure fibreuse 70 qui est enroulée en premier sur le mandrin.
On procède ensuite à la densification de la préforme fibreuse par une matrice suivant les conditions déjà décrite précédemment pour la préforme fibreuse 300.
Après l'injection et la polymérisation, la pièce est démoulée. Au final, la pièce est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés pour obtenir un carter 600 illustré sur la figure 1 1 . La surface interne 601 du carter définit la veine d'entrée d'air. Elle peut être munie d'une couche de revêtement abradable et/ou d’un revêtement de traitement acoustique (non représentés sur la figure 1 1 ). Le carter 600 est ici de brides externes 604, 605 à ses extrémités amont et aval afin de permettre son montage et sa liaison avec d'autres éléments.
Le carter 600 en matériau composite comprend ainsi un renfort fibreux constitué, entre sa périphérie interne et sa périphérie externe, de la première peau 73 de la première partie 75 de la structure fibreuse 70, de la texture non tissée à fibres longues discontinues 80, de la deuxième peau 74 de la première partie 75 de la structure fibreuse 70 et de la deuxième partie 76 de la structure fibreuse 70. Le nombre de tours ou spires de couches de fibres continues (ici la structure fibreuse 70) est fonction de l'épaisseur désirée et de l'épaisseur de la couche. Il est de préférence au moins égal à 2. Le nombre de tours ou spires de couches de fibres discontinues (ici la texture non tissée à fibres longues discontinues 80) est fonction de la capacité de rétention désirée.
Dans l’exemple décrit ici, le carter 600 comporte en outre une portion de surépaisseur 610 formée par l’insertion de la texture non tissée à fibres longues discontinues 80 dans la structure fibreuse 70. Cette portion de surépaisseur forme une zone ou un bouclier de rétention capable de retenir des débris, particules ou objets ingérés en entrée du moteur, ou provenant de l'endommagement d'aubes de la soufflante, et projetés radialement par rotation de la soufflante, pour éviter qu'ils traversent le carter et endommagent d'autres parties de l'aéronef. La présence d’une couche de fibres discontinues sur toute la largeur de la pièce (carter 100) ou sur une partie de la largeur de la pièce (carter 600) permet de conférer à la pièce une très bonne capacité de rétention.
Dans les exemples décrit précédemment, la couche de fibres continues est une bande présentant un tissage 3D. La couche de fibres continues peut être également un empilement de strates unidirectionnelles, un empilement de strates tissées bidimensionnelles, ou encore une tresse.
La couche de fibres discontinues peut être notamment une texture non tissée à fibres longues discontinues ou un mat de fibres aléatoires. Le procédé de fabrication décrit ci-avant en relation avec un carter de soufflante de moteur aéronautique à turbine à gaz s’applique également à la fabrication d’autres pièces de révolution en matériau composite pour ensemble propulsif telles que des entrées d’air de nacelle ou de capots de nacelle.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite (100) pour ensemble propulsif comprenant :
- la réalisation d'une préforme fibreuse (300) sur un mandrin (200) ayant un profil correspondant à celui de la pièce à fabriquer, et
- la densification de la préforme fibreuse (300) par une matrice, caractérisé en ce que la réalisation de la préforme fibreuse comprend la formation d'une ébauche fibreuse (140) sous forme de bande comprenant au moins une couche de fibres continues et au moins une couche de fibres discontinues, l'ébauche fibreuse étant mise en forme sur le mandrin, ladite au moins une couche de fibres continues de l'ébauche fibreuse s'étendant au moins sur un tour complet autour du mandrin (200).
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une couche de fibres discontinues est une texture non tissée à fibres longues discontinues (80) ou un mat de fibres aléatoires (60).
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite au moins une couche de fibres continue est choisie parmi au moins une des structures fibreuses suivantes : structure tissée tridimensionnelle, empilement de strates unidirectionnelles, empilement de strates tissées bidimensionnelles, tresse.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'ébauche fibreuse (140) comprend une couche de fibres continues correspondant à une structure fibreuse en forme de bande (50) présentant un tissage tridimensionnel entre une pluralité de fils de chaîne (20) et une pluralité de fils de trame (30) et dans lequel la réalisation de la préforme fibreuse comprend l'enroulement sur le mandrin de l'ébauche fibreuse sur un ou plusieurs tours.
[Revendication 5] Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'ébauche fibreuse comprend une couche de fibres continues correspondant à une structure fibreuse en forme de bande (70) présentant un tissage tridimensionnel comportant dans le sens de la longueur une première partie (76) dans laquelle les fils de chaîne sont liés par les fils de trame sur toute l'épaisseur de la structure fibreuse et une deuxième partie (75) comprenant une zone de déliaison (71) présente à une position intermédiaire dans l'épaisseur de la structure fibreuse et s'étendant dans la structure fibreuse suivant un plan parallèle à la surface de la structure fibreuse, la zone de déliaison (71) séparant la structure fibreuse en des première et deuxième peaux (73, 74), une couche de fibres discontinues étant disposée entre les première et deuxième peaux, et dans lequel la réalisation de la structure fibreuse comprend l'enroulement sur le mandrin de l'ébauche fibreuse sur un ou plusieurs tours.
[Revendication 6] Pièce de révolution en matériau composite (100) pour ensemble propulsif comprenant un renfort fibreux, ledit renfort fibreux étant densifié par une matrice, caractérisée en ce que le renfort fibreux comprend dans le sens de l'épaisseur au moins une couche de fibres continues et au moins une couche de fibres discontinues.
[Revendication 7] Pièce selon la revendication 6, dans laquelle ladite au moins une couche de fibres discontinues est une texture non tissée à fibres longues discontinues (80) ou un mat de fibres aléatoires (60).
[Revendication 8] Pièce selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle ladite au moins une couche de fibres continue est choisie parmi au moins une des structures fibreuses suivantes : structure tissée tridimensionnelle, empilement de strates unidirectionnelles, empilement de strates tissées bidimensionnelles, tresse.
[Revendication 9] Pièce selon la revendication 8, dans laquelle le renfort fibreux comprend une couche de fibres continues correspondant à une structure fibreuse en forme de bande (70) présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche comportant une première partie (76) dans laquelle des fils de chaîne sont liés par des fils de trame sur toute l'épaisseur de la structure fibreuse et une deuxième partie (75) comprenant une zone de déliaison (71) présente à une position intermédiaire dans l'épaisseur de la structure fibreuse, la zone de déliaison (71) séparant la structure fibreuse en des première et deuxième peaux (73, 74), la couche de fibres discontinues étant présente entre les première et deuxième peaux.
[Revendication 10] Pièce selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, la pièce correspondant à un carter (600) comprenant une virole comportant une portion de surépaisseur (610) formant une zone de rétention, la virole comportant en outre à ses extrémités axiales une bride (604, 605).
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