Brevet FR3060600A1 — publié le 20180622

REVETEMENT ANTI-EROSION D'UNE PIECE MECANIQUE ET PROCEDE DE TRAITEMENT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention a trait à un procédé de traitement anti-érosion de pièces mécaniques, destiné à protéger lesdites pièces du phénomène d'érosion, notamment lorsqu'elles sont soumises à l'action par impact de particules abrasives, telles que des particules de sables, des poussières. Le phénomène d'érosion est un phénomène bien connu des domaines soumis à l'abrasion, tels que le domaine de l'aéronautique. Ainsi, dans des moteurs d'avion, l'usure par érosion des bords d'attaque peut entraîner, une dégradation des performances desdits moteurs. De même, dans le domaine des centrales électriques, les aubes de turbine utilisées dans les centrales électriques sont soumises à des agressions extérieures de particules solides et dures, telles que des particules de sable et des particules d'alumine. Il en est de même pour les pales des éoliennes. Le phénomène d'érosion se définit, classiquement, par un taux d'érosion des matériaux constituant la pièce mécanique considérée, qui peut être déterminé comme étant le volume ou la masse de matériau érodée pour une masse de particules incidentes donnée, ce taux d'érosion variant, généralement, en fonction de différents paramètres, tels que : -l'angle d'incidence des particules solides qui frappent la surface du matériau concerné ; -la nature du matériau, celui-ci adoptant un comportement caractéristique différent selon qu'il s'agit d'un matériau ductile, comme les métaux, qui s'érode par l'apparition de rayures et d'enlèvement de copeaux ou qu'il s'agit d'un matériau dur, tel que le verre, les céramiques, qui s'érodent plus souvent par l'apparition de fissures générant, à terme, une élimination de matériau sous forme d'éclats ; -la nature de l'érodant, telle que la taille et forme des particules érodantes, leur dureté et leur fragilité. 3060600 2 Face à la multiplicité des paramètres pouvant intervenir dans les processus d'érosion, les scientifiques ont axé leurs efforts pour mettre au point des matériaux anti-érosion et des procédés de traitement anti-érosion compatibles avec les pièces mécaniques destinées à être protégées, telles que les pièces du domaine de 5 l'aviation. Ainsi, dans la demande de brevet EP 2 913 421, il a été développé un procédé de fabrication d'un revêtement d'un substrat, en vue de lui conférer une résistance à l'érosion, consistant à déposer à la surface de ce substrat une matrice comprenant des particules céramiques de deux types, un premier type et un deuxième 10 type, le premier type présentant, entre autres, un résistance à l'érosion supérieure à celle du second type et pouvant être du carbure de tungstène, tandis que le second type peut être du carbure de chrome, du nitrure de chrome et des combinaisons de ceux-ci. La matrice comprend, quant à elle, un matériau anodique, tel qu'un alliage nickel-chrome, un alliage nickel-aluminium, un alliage nickel-aluminium-chrome. Aussi, si le revêtement 15 permet une bonne résistance à l'oxydation haute température pour des épaisseurs allant de 50 à 250 um, il présente une mise en oeuvre complexe du fait de l'utilisation de procédés, tels que des techniques de projection thermique, des techniques de projection plasma ou PVD, qui sont considérées comme coûteuses. Au vu de ce qui précède, il subsiste un intérêt pour la mise au point d'un 20 procédé de traitement anti-érosion d'un pièce mécanique, destinée, à l'usage, à être soumise à des impacts de particules solides, ne nécessitant pas l'utilisation dans la formulation et la préparation du revêtement à des ingrédients purement inorganiques et la nécessité de recourir à des revêtements épais pour accéder à des propriétés antiérosion efficaces. 25 EXPOSÉ DE L'INVENTION Ainsi, l'invention a trait à un procédé de traitement anti-érosion d'une pièce mécanique par formation sur celle-ci d'un revêtement anti-érosion comprenant les étapes suivantes : 3060600 3 *une étape de dépôt, sur au moins une partie de la surface de la pièce mécanique, d'une composition comprenant : -au moins un polymère appartement à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium ; 5 -une ou plusieurs charges inorganiques à propriétés anti-érosion ; -un solvant organique ; *une étape de séchage de la composition ainsi déposée. En procédant de la sorte, les auteurs de la présente invention ont ainsi pu constater que le revêtement obtenu conférait à la pièce mécanique, sur laquelle il est 10 déposé, une résistance à l'érosion suffisante pour que la pièce mécanique puisse être soumise, par exemple, à l'usure subie par le bord d'attaque des moteurs aéronautiques pendant l'intégralité de leur durée de service Conformément à l'invention, la composition comprend au moins un polymère appartenant à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium (ce 15 qui correspond à la terminologie anglo-saxonne de « preceramic polymer »), à savoir, un polymère constituant un précurseur de céramique, ici, plus spécifiquement, un précurseur de céramique à base de silicium, telle que Si02. En d'autres termes, un tel polymère est susceptible de se transformer en tout ou partie en une céramique à base de silicium, telle que Si02, sous réserve, bien entendu, d'être soumis à un traitement 20 thermique permettant la transformation en céramique (dite céramisation). Plus spécifiquement, ce polymère peut être un polymère précéramique choisi parmi les polysiloxanes, les polysilsesquioxanes, les polycarbosiloxanes, les polyborosilanes, les polyborosiloxanes, les polysilazanes, les polysilsesquiazanes, les polyborosilazanes, les polyca rbosi la nes, les polysilylcarbodiimides, les 25 polysilsesquicarbodiimides. De manière préférentielle, le polymère précéramique peut être un polymère du type polysiloxane et, plus particulièrement, un polymère siloxane qui comprend, de préférence, un ou plusieurs motifs répétitifs siloxanes, dans lesquels 3060600 4 l'atome de silicium est lié à un ou plusieurs groupes alkyles, ce ou ces motifs répétitifs pouvant répondre à la formule (I) suivante : RI- _(_si_0_ (I) 5 dans laquelle Rl et R2 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un atome d'hydrogène, un groupe alkyle, un groupe aromatique, à condition que l'un au moins des groupes Rl et R2 représente un groupe alkyle. Plus spécifiquement, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, Rl et R2 peuvent représenter, tous deux, un groupe alkyle. 10 Le ou les groupes alkyles susceptibles d'être présents peuvent être des groupes alkyles comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, c'est-à-dire méthyle, éthyle, propyle, isopropyle, n-butyle, isobutyle ou sert-butyle, le groupe méthyle étant particulièrement préféré. Le ou les groupes aromatiques susceptibles d'être présents peuvent être 15 des groupes phényle, benzyle, o-tolyle, m-tolyle, p-tolyle, o-xylyle ou mésityle, le groupe phényle étant particulièrement préféré. Outre le ou les motifs répétitifs siloxanes susmentionnés, le polymère susmentionné peut comprendre d'autres types de motifs répétitifs siloxanes, sous réserve de préférence que le ou les motifs répétitifs siloxanes susmentionnés, tels que ceux de 20 formule (I), soi(en)t en proportion majoritaire dans le polymère polysiloxane, c'est-à-dire le ou les motifs répétitifs siloxanes susmentionnés, tels que ceux de formule (I), représente(nt) plus de 50% en masse de la masse dudit polymère. A titre d'exemple, le polymère peut être un polymère précéramique comprenant un motif répétitif de formule (II) suivante : CH3 4si_0)_ 1R2 25 C H3 00 3060600 5 avec, pour caractéristique, une capacité à pouvoir former, après une céramisation par oxydation complète, de la silice Si02 en une proportion d'au moins 80% en masse par rapport à la masse totale du polymère solide subsistant après l'oxydation complète. 5 Un polymère de ce type susceptible d'être utilisé dans le procédé de l'invention est un polymère commercialisé par la société Wacker sous la dénomination Silres® MK. Ce polymère se caractérise, notamment, par une aptitude élevée de formation de silice (en une proportion d'environ 82% en masse par rapport à la masse totale du polymère solide subsistant après l'oxydation complète) et soluble dans de 10 nombreux solvants organiques, tels que des solvants aromatiques, des solvants esters, des solvants cétones. Dans la composition, le polymère peut être utilisé en une teneur allant de 2 à 50 % en masse par rapport à la masse totale de la composition. La ou les charges inorganiques à propriété anti-érosion peuvent être des 15 carbures, tels que du carbure de silicium, des nitrures, tels que du nitrure de silicium ou des oxydes, tels que de l'alumine ou de la zircone yttriée et, plus spécifiquement une zircone chargée avec de l'oxyde d'yttrium Y203, et des mélanges de ceux-ci. La ou lesdites charges peuvent être présentes en une teneur allant de 5 à 90 % en masse par rapport à la masse totale de la composition. 20 Enfin, la composition comprend au moins un solvant organique, lequel solvant peut être un solvant polaire aprotique, tel qu'un solvant organique choisi les cétones, les esters, les éthers, les solvants aromatiques, les alcanes, les solvants halogénés (comme le chloroforme) et les mélanges de ceux-ci. Plus spécifiquement, la composition peut comprendre, comme solvant 25 organique : -un solvant cétonique spécifique, qui est la butan-2-one (également connue sous l'appellation méthyléthylcétone) ; ou -un solvant référencé sous la marque Diestone ®, qui est un mélange d'éther monométhylique de propylène glycol, d'acétate de 2-méthoxy-1-méthyléthyle, d'alcanes et de composés aromatiques. 3060600 6 La composition peut comprendre, en outre, un agent de couplage, en vue d'augmenter l'adhésion entre le revêtement et le substrat. L'agent de couplage peut également faciliter la réticulation du polymère précéramique, réduire la viscosité de la composition et améliorer la qualité de la dispersion des charges organiques et des 5 charges inorganiques. Cet agent peut être, par exemple, du 3-glycidy1-3- (triméthoxysilyl)propyléther (vendu sous la référence Dynasylan®GLYMO) ou du N-(2- aminoéthyl)-3-aminopropyltriméthoxysilane ou du 3- méthacryloxypropyltriméthoxysila ne. L'agent de couplage, lorsqu'il est présent, peut être compris, dans la 10 composition, à hauteur de 0,1 à 2% en masse par rapport à la masse totale de la composition. En outre, la composition utilisée dans le procédé de l'invention peut comprendre d'autres ingrédients, notamment en fonction de la nature du traitement thermique que va subir la composition après avoir été déposée. 15 En effet, lorsque, l'étape de séchage est suivie, le cas échéant, par une étape de réticulation du polymère précéramique, la composition peut comprendre, avantageusement, un catalyseur de réticulation du polymère précéramique, ce catalyseur ayant pour fonction d'abaisser la température de réticulation dudit polymère. Ce catalyseur de réticulation peut être choisi parmi les composés classiquement utilisés pour 20 catalyser la réticulation du polymère précéramique, à savoir, les sels métalliques, par exemple, de platine ou d'étain, les composés organostanneux, les composés peroxydes, les composés amines, éventuellement sous forme de sels, tels que la triéthanolamine, l'acétate de tétrabutylammonium. Le catalyseur de réticulation, lorsqu'il est présent, peut être présent en 25 une teneur allant jusqu'à 2 % en masse par rapport à la masse du polymère précéramique de la composition. Le catalyseur utilisé peut être de la triéthanolamine, de l'acétate de tétrabutylammonium, de l'acétylacétonate d'aluminium, de l'acétylacétonate de zirconium, un catalyseur de platine. Comme mentionné ci-dessus, la composition est déposée sur tout ou 30 partie de la surface de la pièce métallique à traiter. 3060600 7 Du fait que la composition comprend un ou plusieurs solvants organiques et, de ce fait présente un caractère liquide, elle peut être déposée sur la pièce mécanique par toutes techniques de dépôt par voie liquide, lesquelles techniques de dépôt seront choisies en fonction de la géométrie de la pièce mécanique et de l'épaisseur 5 de revêtement souhaitée. Ainsi, un premier mode de réalisation consiste à déposer la composition par étalement à la racle, cette technique étant particulièrement adaptée pour des pièces mécaniques présentant une surface plane et pour l'obtention de revêtements dits épais (soit, en d'autres termes, des revêtements présentant une épaisseur pouvant aller jusqu'à 10 300 iim). Un deuxième mode de réalisation consiste à déposer la composition par trempage-retrait (connu sous l'appellation anglo-saxonne « dip-coating ») ou par pulvérisation (connue sous l'appellation anglo-saxonne « spray coating »), ces techniques étant particulièrement adaptées pour des pièces mécaniques de forme complexe et pour 15 l'obtention de revêtements fins (par exemple, des revêtements présentant une épaisseur allant de 15 à 20 iim). Préalablement à l'étape de dépôt, le procédé de l'invention peut comprendre une étape de préparation de la composition définie ci-dessus, cette étape de préparation consistant, classiquement, à mettre en contact les différents ingrédients 20 constitutifs de la composition et à les mélanger jusqu'à obtenir un mélange homogène. Après l'étape de dépôt, le procédé de l'invention comprend une étape de séchage de la composition ainsi déposée, cette étape de séchage consistant en l'élimination du ou des solvants organiques par évaporation, ne laissant ainsi subsister qu'un revêtement consistant en un matériau composite comprenant une matrice en 25 polymère appartenant à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium et une ou plusieurs charges inorganiques à propriétés anti-érosion. Pour sa mise en oeuvre, l'étape de séchage peut consister à laisser la composition ainsi déposée à sécher à l'air libre ou encore à appliquer un chauffage à une température et à une durée appropriées pour entraîner l'évaporation du ou des solvants 3060600 8 organiques, le traitement choisi dépendant de la nature du ou des solvants organiques utilisés et de leurs températures d'évaporation respectives. Le revêtement ainsi obtenu peut être utilisé tel quel ou, selon son utilisation finale, peut être soumis après l'étape de séchage, à une étape de réticulation 5 du polymère précéramique à base de silicium et éventuellement à une étape de céramisation dudit polymère. Cette étape de réticulation se matérialise par la création de ponts chimiques entre les chaînes macromoléculaires du polymère précéramique, ce qui traduit par une augmentation de liaisons intermoléculaires -Si-O- au sein du revêtement et ainsi 10 par un durcissement de celui-ci. En outre, la réticulation permet d'augmenter la cohésion et la résistance mécanique du revêtement et d'améliorer son adhérence à la pièce mécanique. La réticulation est particulièrement appropriée pour les pièces mécaniques soumises à des phénomènes de vibration ou encore pour les pièces mécaniques soumises à des sollicitations mécaniques pouvant conduire à un arrachement de tout ou partie du 15 revêtement, dans le cas où celui-ci n'adhèrerait pas suffisamment à la pièce mécanique. L'étape de réticulation peut être mise en oeuvre par un chauffage, qui peut être compris entre 100 et 150°C pendant une durée allant de 10 minutes à quelques heures, par exemple 30 minutes. Le procédé peut être finalisé par une étape de céramisation dudit 20 polymère en Si02, après ce que celui-ci ait subi une étape de réticulation. Ainsi, lorsque le polymère utilisé est un polymère du type Silres® MK commercialisé par la société Wacker, l'étape de céramisation dudit polymère préalablement réticulé se caractérise par la formation d'environ 82 % en masse de Si02 par rapport à la masse totale du polymère subsistant après cette céramisation. 25 Le procédé de l'invention permet l'obtention d'un revêtement anti- érosion sur une pièce mécanique destinée à être protéger des phénomènes d'érosion. La pièce mécanique peut être un bord d'attaque d'un moteur ou d'une aile d'un avion, pouvant être soumis, en fonctionnement, à des conditions importantes d'érosion. Aussi, l'invention a également trait à un revêtement anti-érosion 30 susceptible d'être obtenu par le procédé tel que défini ci-dessus, ledit revêtement anti- 3060600 9 érosion comprenant un matériau composite comprenant une matrice en polymère appartenant à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium, ledit polymère étant éventuellement réticulé, et une ou plusieurs charges inorganiques à propriétés anti-érosion. 5 Les caractéristiques du polymère et de la ou les charges sont identiques à celles définies dans la cadre de la description du procédé. En outre, la matrice en polymère peut comprendre, en particulier, du SiO2, résultant de la céramisation du polymère précéramique. Enfin, l'invention a trait à une pièce mécanique revêtue sur tout ou 10 partie de sa surface par un revêtement tel que défini ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture du complément de description qui suit, qui se rapporte à un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention et à un test d'évaluation du revêtement obtenu visant à démontrer l'aptitude de ce dernier à résister à un phénomène d'érosion. 15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS EXEMPLE L'exemple qui suit illustre la préparation d'un revêtement anti-érosion 20 sur un substrat en aluminium de 2 mm d'épaisseur par dépôt d'une composition comprenant les ingrédients suivants : -une résine polysiloxane vendue sous la dénomination Silres® MK (13% massique) ; -de la butan-2-one, comme solvant organique (16% massique) ; 25 -de la zircone yttriée avec 3% atomique de Y203 (70 % massique) ; et -de la triéthanolamine, comme catalyseur de réticulation (1 % massique), les % massiques étant exprimés par rapport à la masse totale de la composition. 3060600 10 Une fois le dépôt effectué par étalement à la racle, le revêtement est soumis à une étape de séchage et une étape de réticulation à une température de 150°C pendant 30 minutes. D'un point de vue structurel, le revêtement se présente sous forme d'un 5 matériau composite comprenant une matrice en polysiloxane réticulé et une charge de zircone yttriée dispersée dans la matrice. Ensuite, le revêtement résultant est soumis à un test d'érosion consistant à mesurer le profil de cratères d'érosion après sablage du revêtement, les conditions de ce test étant les suivantes : 10 -Distance buse-échantillon : 50 mm ; -Diamètre buse : 2 mm ; -Durée du test : 60 secondes ; -Pression d'air : 4 bars ; -Particules érodantes : Bicarbonate de sodium 15 Il résulte de ce test la formation d'un cratère de 16 um de profondeur, ce qui est représentatif de l'usure subie par le bord d'attaque des moteurs aéronautiques pendant l'intégralité de leur durée d'utilisation. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement anti-érosion d'une pièce mécanique par formation sur celle-ci d'un revêtement anti-érosion comprenant les étapes suivantes : *une étape de dépôt, sur au moins une partie de la surface de la pièce mécanique, d'une composition comprenant : -au moins un polymère appartement à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium ; -une ou plusieurs charges inorganiques à propriétés anti-érosion ; -un solvant organique ; *une étape de séchage de la composition ainsi déposée. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le polymère appartenant à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium est choisi parmi les polysiloxanes, les polysilsesquioxanes, les polycarbosiloxanes, les polyborosilanes, les polyborosiloxanes, les polysilazanes, les polysilsesquiazanes, les polyborosilazanes, les polycarbosilanes, les polysilylcarbodiimides, les polysilsesquicarbodiimides. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le polymère appartenant à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium est choisi parmi les polysiloxanes. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le polymère appartenant à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium est un polymère du type polysiloxane, qui comprend un ou plusieurs motifs répétitifs siloxanes répondent à la formule (I) suivante : RI- _(_si_0_ 1R2 3060600 12 (I) dans laquelle Rl et R2 représentent, indépendamment l'un de l'autre, un atome d'hydrogène, un groupe alkyle, un groupe aromatique, à condition que l'un au moins des groupes Rl et R2 représente un groupe alkyle. 5 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel Rl et R2 représentent, tous deux, un groupe alkyle. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 dans lequel le polymère est présent, dans la composition, en une teneur allant de 2 à 50 % en masse par rapport à la masse totale de la composition. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou les charges inorganiques à propriété anti-érosion sont des carbures, des 15 nitrures, des oxydes et des mélanges de ceux-ci. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ou les charges inorganiques à propriété anti-érosion sont présentes en une teneur allant de 5 à 90 % en masse par rapport à la masse totale de la composition. 20 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la composition comprend, en outre, un catalyseur de réticulation du polymère précéramique. 25 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la composition comprend un agent de couplage. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, avant l'étape de dépôt, une étape de préparation de la composition. 3060600 13 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, après l'étape de séchage, une étape de réticulation du polymère précéramique à base de silicium. 5 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel ledit procédé comprend une étape de céramisation dudit polymère en Si02, après ce que celui-ci ait subi une étape de réticulation. 14. Revêtement anti-érosion susceptible d'être obtenu par le procédé 10 tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, ledit revêtement anti- érosion comprenant un matériau composite comprenant une matrice en polymère appartenant à la catégorie des polymères précéramiques à base de silicium, ledit polymère étant éventuellement réticulé, et une ou plusieurs charges inorganiques à propriétés anti-érosion. 15 15. Pièce mécanique revêtue sur tout ou partie de sa surface par un revêtement tel que défini à la revendication 14.