Brevet FR2344512A1 — publié le 19771014

L'invention concerne une combinaison de matières, recouverte d'une couche protectrice, à base de Si3N4, pour des pièces moulées en céramique ou des éléments de construction à très grande stabilité de forme. Dans la publication allemande 24 12 637 on décrit des pièces moulées en nitrure de silicium utilisées comme éléments de construction soumis à des forces centrifuges importantes ou à diverses sollicitations analogues, et caractérisées en ce qu'on passe sur la coupe transversale de la pièce d'une façon continue des propriétés du nitrure de silicium comprimé à chaud à celles du nitrure de silicium provenant de la réaction au cours du frittage. La pièce initiale en nitrure de silicium provenant de la réaction au cours du frittage est recouverte, sur les zones qui doivent etre comprimées d'un produit auxiliaire oxydé facilitant la compression, par exemple par imprégnation avec une solution de sels ou une masse de sels en fusion suivie d'une décomposition thermique, puis est compactée par compression graduelle à chaud au moyen de poinçons profilés, à des températures comprises entre 16000C et 1800 C et sous une pression de 150 kp/cm à 500 kp/cm. I1 est indiqué dans ce document, en ce qui concerne l'état de la technique que l'on connait déjà des agents facilitant la compression, comme par exemple MgO, SiO2, A1203 BeO, Li20 et composés analogues De plus, on sait aussi que la phase vitreuse résultante diminue considérablement les propriétés mécaniques de la pièce moulée en nitrure et /ou d'oxynitrure de silicium comprimé à chaud. I1 fallait cependant tenir compte du fait qu'on ne peut actuellement fabriquer un corps pur de Si3N4 et/ou de Si2ON2 non poreux, à l'aide d'un procédé de compression à chaud. Dans les pièces moulées décrites dans le DT-OS 24 12 637, les composés contenant 82 % de Si3N4-sA et 18 % de Si3N4-(b, préalablement préparés sont traités sous vide avec une solution aqueuse de Mg(N03)2. Après séchage et chauffage à 5500C, le corps à comprimer contiens comme agent facilitant la compression, MgO. Si les contraintes sont importantes, les couches contenant des substances étrangères, comme par exemple MgO, ont des effets défavorables sur les propriétés des pièces I1 peut se produire des réactions chimiques perturbatrices entre la matière de ces couches et la matière de base, et de fortes tensions mécaniques (par exemple par inversions de phases) peuvent intervenir, en particulier si les températures de mise en oeuvre sont élevées en raison des différences entre les coefficients de dilatation thermique de la matiere de base du support et celle de la couche. I1 n'est alors pas possible d'introduire de. telles pièces moulées dans des turbines à gaz, si les mises en route et arrêts doivent être fréquents. En outre si les vitesses de rotation sont élevées et à haute température de telles couches peuvent se détacher sous l'effet des forces centrifuges. L'invention a pour but de préparer une matière à base de Si3N4 qui peut être utilisée pour fabriquer des pièces moulées céramiques ou des éléments de construction à grande stabilité de forme et, possédant particulièrement une très grande résistance au fluage, et qui possède la propriété de résister à de fortes sollicitations, même thermiques et mécaniques en atmosphère oxydante et corrosive, à des températures élevées et pendant un service prolongé A cet effet l'invention propose que la matière de base soit constituée de Si3N4 de qualité commerciale, et qu'elle est pouvue d'une couche compactez adhérant à la matière de base et ne réagissant pas chimiquement avec elle de même nature ou de nature analogue à la matière de base. Il est avantageux de constituer la couche protectrice de Si3N4, que l'on applique sur la matiere de basep Cependant, la couche protectrice peut aussi être constituée de SiC. L'application des couches protectrices sur la matière de base peut résulter par exemple d'une pyrolyse. Dans le cas d'une couche de SiC, on enrobe des échantillons de Si3N4 par décomposition thermique de trichlorométhylsilane à 92O0C dans un four tubulaire en graphite. Les couches protectrices peuvent être relativement minces. Conformément à l'invention, l'épaisseur de la couche varie dans l'intervalle de lOm m à à 100 m mO Une couche plus épaisse peut certes être obtenue également, mais elle n'est cependant pas nécessaire, et par suite n'est pas économique. La combinaison de matières conforme à l'invention empêche presque complètement le fluage à haute température, par exemple à 13500C, du Si3N4 non recouvert. Les couches protectrices de Si3N4 ou de SiC obtenues par pyrolyse sont denses et bien adhérentes. Leur stabilité à haute température est meilleure que celle de la matière de base qu'elles recouvrent Les coefficients de dilatation thermique de la matière de base et de la couche protectrice sont semblables sinon identiques, Si bien qu'une varia tion de température n'entraîne pas de grandes tensions mécaniques. Aucune réaction chimique perturbatrices n intervient entre les matières de la couche et de la base Ces couches empechent toute attaque oxydante et corrosive de la matière de base. De cette façon, on élimine les modifications de structure d'ordure chimique, avant tout oxydants qui déterminent le fluage. L'utilisation de la combinaison de matériaux conforme à l'invention permet de diminuer le coût de fabrication de la matière de base, car on peut par exemple avoir recours à une poudre contenant plus d'impuretés pour fabriquer la matière de base ce qui présente des avantages supplémentaires, la poudre impure ayant une affinité réactionnelle plus-grande lors de la nitruration. Les propriétés particulièrement bonnées de la combinaison de matières suivant l'invention permettent de l'utiliser pour des éléments mobiles, par exemple des rotors, ou des éléments fixes, par exemple des stators, chambres de combustion1 échangeurs de chaleur, dans les turbines à gaz. Avec l'introduction de la combinaison de matériaux conforme à l'inventionron peut augmenter les températures usuelles de fonctionnement des turbines à gaz; d'envi- ron 3000C. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté a' partir duquel on pourra prévoir et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I.C A T X 0 N S 10) Combinaison de matières2 recouverte d'une couche protectrice, à base de Si3N4, pour des pièces moulées en céramique ou des éléments de construction à très grande stabilité de forme, caractérisée en ce que la matière de base est constituée de Sî3N4 commercial et qu'elle est pourvue d'une couche compacte, adhérant bien à la matière de base et ne réagissant pas chimiquement avec elle, de même nature ou de nature analogue à la matière de base. 20) Combinaison de matières suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la couche protectrice est constituée de Si3N40 30) Combinaison de matières suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la couche protectrice est constituée de SiC. 40) Combinaison de matériaux suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche protectrice est située dans l'intervalle de 10 m à 100 t me 50) Eléments mobiles ou fixes d'une turbine à gaz, caractérisés en ce qu'ils sont faits d'une combinaison de matières suivant la revendication 1.