MAtériaux composiTes à matRIce microcristalline SiC/Si3N4 par un procédé hybride PIP-CVI et compatibles avec un fonctionnement continu auX températures élevées – MATRIX

Pour faire face aux défis énergétiques, environnementaux et économiques du transport aérien, d’importants efforts sont consacrés aux turboréacteurs de futures générations d’avions, notamment dans le domaine des matériaux avancés et de leurs procédés de mise en œuvre. L’objectif affiché est une décarbonation du transport aérien à 2050. Une des actions consiste à augmenter les températures de fonctionnement des turbomachines afin d’augmenter leur rendement et ainsi réduire à la fois la consommation spécifique de carburant et les émissions polluantes tout en diminuant significativement le débit d’air de refroidissement. Cet objectif est en ligne avec l’axe d’effort transverse sur l’énergie. Toutefois, cette action impose un remplacement des matériaux clés – les superalliages métalliques - composant les pièces de turbines (aubage mobile, aubage fixe, anneaux de turbines, chambre de combustion) qui ne constituent plus le matériau d’avenir pour cette application. La substitution de ces superalliages par des matériaux composites à matrice céramique (CMC) stables à de hautes températures (1450°C) permettrait de supprimer le refroidissement interne en autorisant l’augmentation de température des pièces internes et externes de turboréacteurs. Cette action aura pour conséquence d’alléger les structures et de diminuer les consommations de carburant et les émissions polluantes. Par ailleurs, la densité des CMC étant très inférieure à celle des superalliages métalliques, l’utilisation de ces matériaux permettrait également d’alléger les structures. Le projet MATRIX du programme ASTRID2021- à caractère exploratoire et innovant (TRL<4) et s’intégrant à la thématique « matériau » de l’AAP - s’appuie sur une collaboration entre deux laboratoires de recherche à l’expertise internationalement reconnue et complémentaire : l’Institut de Recherche sur les CERamiques (IRCER, université de Limoges-UMR CNRS 7315-coordinateur) et le Laboratoire des Composites ThermoStructuraux (LCTS, université de Bordeaux-UMR CNRS 5801) et un partenaire du monde socio-économique (Safran Ceramics, SCe). L’étude se positionne sur le développement de CMC dont la composition est basée sur le système ternaire silicium-carbone-azote (Si-C-N) proposant des caractéristiques thermomécaniques et une durée de vie compatibles avec un fonctionnement à 1450°C (˜2700F) pendant de longues durées pour les composants internes des moteurs. La technologie mise en œuvre dans MATRIX repose sur un procédé d’infiltration en phase liquide – Polymer Impregnation Pyrolysis (PIP) – à partir de deux formulations de polymères précéramiques sélectionnées pour leurs propriétés rhéologiques adaptées à l’imprégnation de préformes fibreuses et à leurs capacités à former des céramiques SiC/Si3N4 exemptes de phase de carbone et de silicium libres. Cette composition contrôlée en amont du procédé permet d’obtenir des matériaux très stables à la fois sous azote à haute température (1450°C) et sous air à température intermédiaire (700°C). Ce procédé PIP sera hybridé avec une infiltration en phase gazeuse – Chemical Vapor Infiltration (CVI) – afin d’optimiser la densité des CMC et donc leurs propriétés d’usage. Le projet MATRIX - en mettant notamment l’accent sur la relation procédé-structure-propriétés - s’organise en cinq tâches scientifiques interconnectées, allant de la préparation des formulations à la mesure des propriétés d’usage des CMC qui devront valider notre approche et lever les différents verrous scientifiques et technologiques à fort enjeu pour l’exploitation des CMC dans les turboréacteurs de futures générations d’avions civils et militaires. Elles devraient aboutir, au terme du projet (30 mois) à des briques technologiques nécessaires à la réalisation de composants CMC 2700 F robustes et aptes à une poursuite de développement en contexte industriel, en accord avec les cibles énergétiques, environnementales et économiques du marché.