MATRICE SiC/Si3N4 POUR CMC 2700F : OPTIMISATION D’UN PROCEDE HYBRIDE PIP-CVI COMME SOLUTION TECHNOLOGIQUE POUR UN FONCTIONNEMENT CONTINU AUX HAUTES TEMPERATURES – MATRIX_2

Pour faire face aux défis énergétiques, environnementaux et économiques actuels et futurs du transport aérien, d’importants efforts sont consacrés aux turboréacteurs de futures générations d’avions. Ces efforts doivent nous mener vers des moteurs plus performants, plus écologiques mais aussi plus économiques pour une décarbonation du transport aérien en 2050. Cependant ces actions imposent un remplacement des matériaux clés – superalliages base nickel en général - composant les aubes de turbine par des composites à matrice céramiques (CMC) qui allient légèreté, tenue thermomécanique et tolérance à l’endommagement en fonction du choix des différents constituants qui le compose. La substitution des superalliages par des CMC permettrait de supprimer le refroidissement interne nécessaire actuellement pour utiliser les premiers, de réduire la masse des moteurs tout en autorisant l’augmentation de température des pièces internes et externes de turboréacteurs. Par ailleurs, ces CMC augmenteront la durée de vie des pièces constituants les moteurs pour accroître la robustesse et faciliter la « maintenabilité » des avions qu’ils soient militaires ou civils. Le projet MATRIX_2 (36 mois) du programme ASTRID2025 (thématique « matériau » de l’AAP) s’inscrit dans ce contexte. 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. L’objectif principal de MATRIX_2 est d’optimiser un procédé hybride PIP (Polymer Impregnation Pyrolysis)-CVI (Chemical Vapor Deposition) comme solution technologique pour un fonctionnement continu aux hautes températures. Il fait suite à un précédent projet ASTRID (MATRIX, édition 2021) qui a notamment mis en lumière une inadéquation du réseau poral de la matrice PIP avec le cycle CVI postérieur. Il s’appuie toujours sur une collaboration (mais néanmoins renforcée) 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). Pour atteindre son objectif principal, le travail développé dans MATRIX_2 va consister à agir sur les formulations, les additifs (solvant et agents moussants/porogènes) et le procédé pour modifier la fragmentation de la matrice PIP lors de la pyrolyse et développer une porosité multi-échelle très ouverte en surface et progressivement fermée à cœur tout en minimisant la présence d’oxygène pour le cycle CVI postérieur. Le projet MATRIX_2 - en mettant notamment l’accent sur la relation procédé-structure-propriétés à travers un couplage d’analyses expérimentales et de modélisation numérique - apporte une valeur ajoutée claire par rapport à la littérature. Il a en cela un caractère fortement exploratoire et innovant en phase avec la définition d’un projet ASTRID qui sera exploité pour garantir une communication, une diffusion et une valorisation des résultats du projet abouties. Il s’organise en cinq tâches scientifiques interconnectées, allant du comportement thermochimique d’une formulation type à la mesure des propriétés d’usage des CMC et sollicite une demande de thèse et une demande de post-doc. Cette organisation doit permettre de valider notre approche et lever les derniers verrous scientifiques et technologiques à fort enjeu de l’étude. MATRIX_2 représente ainsi l’étape clé pour conduire in fine aux briques technologiques indispensables à la réalisation de composants CMC « 2700 F » robustes et aptes à la certification, en accord avec les cibles énergétiques, environnementales et économiques du marché.