Simulation of capillary rise in model geometries in order to manage manufacturing process of ceramic matrix composites

Simulation numérique de la montée capillaire en espace confiné, en vue de l’application à des procédés d’élaboration de matériaux composites par imprégnation non-réactive ou réactive

Audrey Pons (1)

1 I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux

The development of ceramic matrix composites (CMCs) to replace certain metal components ininternal hot parts of aircraft engines is an active research field for the aeronautical industry. Theseadvanced components may be manufactured with a fluid processing called ReactiveMelt Infiltration(RMI). The densification step is the capillary rise of a molten metal such as silicon within a wovenpreform. The molten metal can react with the previously introduced ceramic powder and lead to arefractory matrix. The competition between capillary rise and the reaction between molten siliconand introduced carbon powder has to be managed. The ambition is to prevent choking off effectsand closed pores created by preferential paths. Simulations of two-phase flows at macroscopic scaleare undertaken with a homemade code developed in SAFRAN whereas simulations of two-phaseflows atmicroscopic scale were undertaken with CFD code Thétis (developed at I2M, Bordeaux). Anexperimental methodology for analysis of reactive or not reactive capillary impregnation in granularmedia is described.

L’industrie aéronautique a exprimé un besoin en matériaux pour des zones fortement chargées thermiquement et mécaniquement. L’objectif est d’optimiser grâce à ces matériaux, notamment en termes de poids et de rendement, le coeur des turboréacteurs. Un procédé par voie liquide appelé «Reactive Melt infiltration» est industriellement envisagé pour fabriquer ces matériaux. La densification est tributaire de la compétition entre la montée capillaire et la réaction chimique entre le silicium liquide et la poudre préalablement introduite. Cette concurrence peut conduire à des phénomènes de «choking off» qui doivent être évités. Dans ce travail, l’approche numérique est à la fois macroscopique et microscopique. Des validations numériques, des applications dans le cadre de géométries modèles et des analyses physiques sont présentées pour les deux échelles. Les simulations d’imbibition réactive à l’échelle de la pièce sont effectués avec un outil développé au sein de SAFRAN alors que les simulations de montées capillaires dans des géométries modèles à l’échelle du pore sont réalisées avec le code de calcul Thétis (développé à l’I2M, Bordeaux). Une méthodologie expérimentale pour le suivi et l’analyse de l’imprégnation capillaire réactive d’un milieu granulaire constitué de matériaux modèles est également présentée.

Mots clés: CeramicMatrix Composites (CMC); Capillarity; Impregnation; Porous medium; Simulation

Mots clés: Imprégnation; Milieu poreux; Capillarité; Simulation; Composites à matrice céramique (CMC)

Domaines: Mécanique [physics]

Audrey Pons. Simulation numérique de la montée capillaire en espace confiné, en vue de l’application à des procédés d’élaboration de matériaux composites par imprégnation non-réactive ou réactive. Mécanique [physics]. Université de Bordeaux, 2017. Français. ⟨NNT : 2017BORD0701⟩. ⟨tel-01661546v2⟩