Brevet FR3053329A1 — publié le 20180105

1. Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un procédé de revêtement d'une pièce en matériau composite à matrice céramique (CMC) par une barrière environnementale ainsi qu'une pièce en CMC ainsi revêtue. Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. Ces matériaux CMC peuvent toutefois se dégrader lorsqu'ils sont utilisés à des températures élevées et dans un environnement corrosif, comme c'est le cas lorsqu'ils sont présents dans des turbines aéronautiques. Lorsque la pièce en CMC comprend une matrice de carbure de silicium (SiC), la corrosion du CMC résulte en l'oxydation du SiC en silice, qui en présence de vapeur d'eau se volatilise sous forme d'hydroxydes Si(OH)4. Les phénomènes de corrosion entraînent une dégradation prématurée du CMC. Des revêtements de barrière environnementale (aussi appelée « EBC » de l'anglais « Environnemental Barrier Coating ») ont par conséquent été développés afin de protéger les matériaux CMC de la corrosion à haute température. Comme exemple de barrière environnementale utilisable, on peut par exemple citer des ensembles multicouches comprenant une couche de liaison en silicium et une couche d'un silicate de terre rare (de type RE2Si207 ou RE2Si05, par exemple Y2Si207). Différentes techniques peuvent être mises en oeuvre afin de former les barrières environnementales. On peut, en particulier, citer les procédés d'élaboration par voie sèche comme la technique de dépôt en phase vapeur (« Physical Vapor Deposition » ; « PVD »). Un inconvénient de cette technique est qu'elle présente un coût de mise en oeuvre relativement élevé. Les procédés par voie liquide comme la technique de trempage-retrait (« dip-coating ») présentent, quant à eux, un coût de mise en oeuvre plus réduit. Dans le cadre des techniques par voie liquide, une barrière environnementale peut être formée par application, sur la surface de la pièce, de particules de silicate de terre rare en suspension 3053329 2 dans un milieu liquide suivie d'un séchage et d'un frittage de ces particules. Toutefois, la consolidation et l'adhérence à la pièce sous-jacente du revêtement ainsi obtenu peuvent ne pas être optimales. Ce fait peut revêtir une importance particulière lorsque l'on cherche à obtenir une 5 barrière environnementale relativement épaisse, présentant par exemple une épaisseur supérieure ou égale à 10 pm. Il existe donc un besoin pour disposer de procédés de formation d'un revêtement de barrière environnementale de coût de mise 10 en oeuvre relativement réduit et permettant l'obtention d'une barrière environnementale présentant une consolidation et une adhérence à la pièce sous-jacente améliorées. Objet et résumé de l'invention 15 A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé de revêtement d'une pièce en matériau composite à matrice céramique par une barrière environnementale, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : a) appliquer sur la surface de la pièce une composition de 20 revêtement liquide comprenant au moins une poudre d'un premier silicate de terre rare et au moins un précurseur sol-gel d'un deuxième silicate de terre rare, b) transformer le précurseur sol-gel en deuxième silicate de terre rare en effectuant un premier traitement thermique de la composition de 25 revêtement liquide appliquée, et c) fritter la poudre du premier silicate de terre rare avec le deuxième silicate de terre rare obtenu lors de l'étape b) en effectuant un deuxième traitement thermique. L'invention met avantageusement en oeuvre une composition 30 de revêtement liquide particulière comprenant à la fois une suspension de particules du premier silicate de terre rare et au moins un précurseur sol-gel du deuxième silicate de terre rare. L'intérêt de mettre en oeuvre une telle composition est que le deuxième silicate obtenu lors de l'étape b) par voie sol-gel va avantageusement permettre de réaliser des ponts de 35 frittage durant l'étape c) entre les particules du premier silicate de terre rare. De ce fait, on obtient une barrière environnementale présentant une 305 3 3 2 9 3 consolidation améliorée du fait de la formation, après frittage, d'une phase liante du deuxième silicate de terre rare liant les particules du premier silicate de terre rare entre elles. Par ailleurs, la présence du deuxième silicate résulte, lors du frittage, en la formation de liaisons covalentes 5 entre la barrière environnementale et la pièce ou une couche d'accrochage éventuellement présente sous-jacentes. Cela contribue à améliorer l'adhérence de la barrière environnementale à la pièce en CMC. Dans un exemple de réalisation, la composition de revêtement appliquée peut présenter un rapport R = [masse du précurseur sol-gel du 10 deuxième silicate de terre rare]/[masse de la poudre du premier silicate de terre rare] compris entre 20% et 60%. Une telle caractéristique permet avantageusement d'améliorer encore la consolidation et le caractère couvrant de la barrière environnementale obtenue. 15 Dans un exemple de réalisation, le rapport R peut être compris entre 30% et 50%. Une telle caractéristique permet avantageusement d'améliorer encore la consolidation et le caractère couvrant de la barrière environnementale obtenue. 20 Dans un exemple de réalisation, la taille moyenne des particules de la poudre du premier silicate de terre rare peut être inférieure ou égale à 1,5 pm, voire à 0,5 pm. Par « taille moyenne », on désigne la dimension donnée par la distribution granulométrique statistique à la moitié de la population, dite 25 D50. Le fait de limiter la taille des particules du premier silicate de terre rare permet avantageusement d'améliorer encore la consolidation de la barrière environnementale obtenue. Dans un exemple de réalisation, la composition de revêtement 30 peut être appliquée sur une couche d'accrochage comprenant du silicium et présente sur la surface de la pièce. Dans un exemple de réalisation, l'un au moins des premier et deuxième silicates de terre rare peut être le disilicate d'yttrium. Le premier silicate de terre rare peut être identique au 35 deuxième silicate de terre rare. En particulier dans ce cas, le premier et le deuxième silicates de terre rare peuvent chacun être le disilicate d'yttrium. 3053329 4 En variante, le premier silicate de terre rare peut être différent du deuxième silicate de terre rare. Dans un exemple de réalisation, les étapes a) à c) peuvent être répétées afin d'obtenir la barrière environnementale. 5 Dans un exemple de réalisation, la pièce peut être une pièce de turbomachine. La pièce peut être une pièce de partie chaude d'une turbine à gaz d'un moteur aéronautique ou d'une turbine industrielle. En particulier, la pièce peut constituer une partie au moins d'un distributeur, une paroi 10 d'une chambre de combustion, un secteur d'anneau de turbine ou une aube de turbomachine. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 15 de la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un ordinogramme d'un exemple de procédé selon l'invention, - les figures 2A à 2C illustrent, de manière schématique, les 20 différentes étapes mises en oeuvre afin de former une barrière environnementale dans le cadre d'un exemple de procédé selon l'invention, - la figure 3 représente un exemple d'évolution de la température qui peut être mis en oeuvre pour réaliser les premier et 25 deuxième traitements thermiques, - la figure 4 représente un autre exemple d'évolution de la température qui peut être mis en oeuvre pour réaliser les premier et deuxième traitements thermiques, - la figure 5 est une photographie d'une barrière 30 environnementale formée par mise en oeuvre d'un exemple de procédé selon l'invention, - la figure 6 est une photographie de la barrière environnementale de la figure 5 après réalisation d'un essai de corrosion, et 3053329 5 - la figure 7 est une photographie d'une barrière environnementale obtenue par un procédé voie liquide de l'art antérieur après réalisation d'un essai de corrosion. 5 Description détaillée de modes de réalisation La pièce en matériau composite comprend un renfort fibreux ainsi qu'une matrice céramique présente dans la porosité du renfort fibreux. Le renfort fibreux peut comprendre des fibres céramiques ou 10 des fibres de carbone. Les fibres céramiques peuvent être des fibres de carbure de silicium ou des fibres oxydes, comme des fibres d'alumine. A ce titre, on peut citer les fibres de carbure de silicium fournies sous la dénomination « Nicalon » ou « Hi-Nicalon » par la société japonaise NGS ou « Tyranno SA3 » par la société UBE. Le renfort fibreux peut comporter 15 des fibres de carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique, telles que les fibres fournies sous la dénomination « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise NGS. Lorsque le renfort fibreux comporte des fibres d'alumine, ces dernières peuvent être des fibres Nextel 610TM. Les fibres fournies sous la 20 dénomination Torayca T300 par la société Toray constituent quant à elles un exemple de fibres de carbone utilisable. Le renfort fibreux peut être réalisé en une seule pièce par tissage tridimensionnel ou multicouches ou à partir d'une pluralité de strates fibreuses bidimensionnelles ou encore à partir de plusieurs couches 25 de tissu unidimensionnel. Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », il faut comprendre un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaine lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Une inversion des rôles entre chaine et trame est possible dans le présent 30 texte et doit être considérée comme couverte aussi par les revendications. Le renfort fibreux peut, par exemple, présenter une armure multi-satin, c'est-à-dire être un tissu obtenu par tissage tridimensionnel avec plusieurs couches de fils de trame dont l'armure de base de chaque couche est équivalente à une armure de type satin classique mais avec 35 certains points de l'armure qui lient les couches de fils de trame entre elles. En variante, le renfort fibreux peut présenter une armure interlock. 3053329 6 Par « armure ou tissu interlock », il faut comprendre une armure de tissage 3D dont chaque couche de fils de chaîne lie plusieurs couches de fils de trame avec tous les fils de la même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. Différents modes de tissage 5 multicouches utilisables pour former le renfort fibreux sont notamment décrits dans le document WO 2006/136755. Comme mentionné plus haut, il est aussi possible de partir de textures fibreuses telles que des tissus bidimensionnels ou des nappes unidirectionnelles, et d'obtenir le renfort fibreux par drapage de telles 10 textures fibreuses sur une forme. Ces textures peuvent éventuellement être liées entre elles par exemple par couture ou implantation de fils pour former le renfort fibreux. La pièce peut en outre comporter une interphase présentes entres les fibres et la matrice. L'interphase peut être monocouche ou 15 multicouches. L'interphase peut comporter au moins une couche de carbone pyrolytique (PyC), de nitrure de bore (BN), de nitrure de bore dopé au silicium (BN(Si), avec du silicium en une proportion massique comprise entre 5% et 40%, le complément étant du nitrure de bore) ou de carbone dopé au bore (BC, avec du bore en une proportion atomique 20 comprise entre 5% et 20%, le complément étant du carbone). L'épaisseur de l'interphase peut par exemple être comprise entre 10 nm et 1000 nm, et par exemple entre 10 nm et 100 nm. L'interphase a ici une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l'interphase après s'être propagées dans la 25 matrice, empêchant ou retardant la rupture de fibres par de telles fissures. La matrice densifie le renfort fibreux en étant présente dans la porosité de ce dernier. La matrice enrobe les fibres du renfort fibreux. Les fibres sont présentes dans la matrice. La matrice peut occuper la majorité (i.e. plus de 50%) du volume de la porosité accessible du renfort fibreux. 30 En particulier, la matrice peut occuper plus de 75%, voire sensiblement l'intégralité, du volume de cette porosité accessible. La matrice comprend une ou plusieurs phases en matériau céramique. La matrice peut comporter au moins une phase d'un carbure, nitrure ou oxyde. La matrice peut par exemple comporter du carbure de 35 silicium, voire être entièrement en carbure de silicium. La matrice peut être réalisée de différentes manières connues en soi. On peut par exemple 3053329 7 utiliser une méthode de densification par voie liquide (imprégnation par une résine précurseur de la matrice et transformation par réticulation et pyrolyse, le processus pouvant être répété) ou par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur de la matrice). On peut encore 5 réaliser la phase de matrice par infiltration de silicium à l'état fondu (procédé de « Melt-Infiltration »). La pièce peut être une pièce statique ou rotative de turbomachine. Des exemples de pièces de turbomachine qui peuvent être revêtues dans le cadre de l'invention sont mentionnés plus haut. 10 La formation d'une barrière environnementale sur une pièce en CMC va à présent être décrite en lien avec les figures 1 et 2A à 2C qui illustrent les différentes étapes d'un exemple de procédé selon l'invention. Dans une première étape 10, la composition de revêtement liquide 55 est appliquée sur la surface S de la pièce en CMC 50 (étape a), 15 voir figures 1 et 2A). Dans l'exemple illustré à la figure 2A, la composition de revêtement 55 est appliquée sur une couche d'accrochage 54 comprenant du silicium et présente sur la surface S de la pièce 50. Dans cet exemple, la composition de revêtement 55 est directement appliquée sur la couche d'accrochage 54 (au contact de cette dernière). Cette 20 couche d'accrochage peut être une couche en silicium ou en siliciure métallique. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque la composition de revêtement liquide est directement appliquée sur la surface de la pièce en CMC (au contact de cette dernière en l'absence de couche d'accrochage 54). La composition de revêtement 55 peut être 25 appliquée par différentes méthodes de dépôt par voie liquide connues en soi, comme la technique de trempage-retrait (« dip-coating »), de centrifugation (« spin-coating »), de pulvérisation (« spray-coating ») ou d'électrodéposition. La composition de revêtement liquide 55 comprend un milieu 30 liquide 58 dans lequel sont présents au moins une poudre 56 d'un premier silicate de terre rare et au moins un précurseur sol-gel d'un deuxième silicate de terre rare. La composition de revêtement peut en particulier comprendre un mélange d'au moins un précurseur sol-gel silicaté et d'un précurseur sol-gel comprenant un élément terre rare. 35 Le deuxième silicate de terre rare est identique au premier silicate de terre rare ou différent de ce dernier. Le premier et le deuxième 3053329 8 silicate de terre rare peuvent, indépendamment l'un de l'autre, être choisis parmi : les disilicates ou monosilicates de terre rare, où la terre rare est l'yttrium, l'ytterbium, le lutétium ou l'erbium, par exemple. L'écart entre le coefficient de dilatation thermique du premier silicate de terre rare et le 5 coefficient de dilatation thermique du deuxième silicate de terre rare peut avantageusement être inférieur ou égal à 3.10-e °C-1. En particulier le premier et le deuxième silicates de terre rare peuvent chacun être le disilicate d'yttrium. Comme mentionné plus haut, la composition de revêtement 10 appliquée peut avantageusement présenter un rapport R = [masse de précurseur sol-gel du deuxième silicate de terre rare]/[masse de la poudre du premier silicate de terre rare] compris entre 20% et 60%, voire entre 30% et 50%. Le fait d'avoir un rapport R d'au moins 20% (proportion significative de précurseur sol-gel) permet d'optimiser la consolidation du 15 revêtement de barrière environnementale. Le fait d'avoir un rapport R d'au plus 60% (présence d'une proportion significative de poudre) permet, quant à lui, d'optimiser le caractère couvrant du revêtement de barrière environnementale. La composition de revêtement appliquée 55 peut en particulier 20 comporter : la poudre 56 du premier silicate de terre rare en une teneur massique comprise entre 20% et 60%, - ledit au moins un précurseur sol-gel du deuxième silicate de terre rare en une teneur massique comprise entre 20% et 25 60%, et le milieu liquide 58 en une teneur massique comprise entre 20% et 60%. Le milieu liquide peut par exemple être de l'eau ou un alcool, tel que l'éthanol. Le milieu liquide peut présenter à 20°C une tension de 30 vapeur comprise entre 2 kPa et 6 kPa. Dans une deuxième étape 20, la pièce en CMC 50 revêtue de la composition de revêtement liquide 55 est soumise à un premier traitement thermique (étape b), voir figures 1 et 2B). Durant le premier traitement thermique, tout ou partie du milieu liquide est évaporé et le précurseur 35 sol-gel est transformé en deuxième silicate de terre rare. Une phase 60 comprenant le deuxième silicate de terre rare est formée lors du premier 3053329 9 traitement thermique. La poudre 56 du premier silicate de terre rare est dispersée et maintenue dans la phase 60. La phase 60 peut être un xérogel comprenant le deuxième silicate de terre rare. La température imposée lors du premier traitement thermique peut être supérieure ou 5 égale à 100 °C, et par exemple être comprise entre 100°C et 400°C. On obtient après mise en oeuvre de l'étape 20 une pièce en CMC 50 revêtue d'une couche de revêtement 62 comprenant la phase 60 du deuxième silicate de terre rare et la poudre 56. On réalise ensuite une troisième étape 30 de frittage (étape c), 10 voir figures 1 et 2C). Durant cette étape, la poudre 56 du premier silicate de terre rare est frittée avec la phase 60 du deuxième silicate de terre rare lors du deuxième traitement thermique lequel est réalisé à une température supérieure à la température imposée durant le premier traitement thermique. Une température supérieure ou égale à 1000°C, par 15 exemple comprise entre 1000°C et 1400°C, peut être imposée lors du deuxième traitement thermique. Le deuxième silicate de terre rare permet avantageusement de réaliser des ponts de frittage entre les particules 56 du premier silicate de terre rare. On obtient après frittage une barrière environnementale 64 présentant une consolidation améliorée du fait de la 20 formation d'une phase liante frittée 61 du deuxième silicate de terre rare liant les particules 56 du premier silicate de terre rare entre elles. Par ailleurs, la présence du deuxième silicate de terre rare résulte, lors du frittage, en la formation de liaisons covalentes entre la barrière environnementale 64 et la couche d'accrochage 54 sous-jacente, 25 contribuant ainsi à améliorer l'adhérence de la barrière environnementale 64 à la pièce en CMC 50. La barrière environnementale peut être obtenue en réalisant une seule fois chacune des étapes a) à c). En variante, les étapes a) à c) peuvent être répétées afin d'obtenir la barrière environnementale (flèche 30 40 à la figure 1). On peut ainsi réaliser la barrière environnementale en effectuant au moins deux fois, voire au moins quatre fois, la succession des étapes a) à c). L'épaisseur de la barrière environnementale obtenue peut être supérieure ou égale à 1 pm, par exemple à 10 pm. L'épaisseur de la 35 barrière environnementale peut, en particulier, être comprise entre 1 pm et 200 pm, par exemple entre 10 pm et 200 pm. 3053329 10 Les figures 3 et 4 montrent des exemples de diagrammes température-temps qui peuvent être appliqués pour réaliser les premier et deuxième traitements thermiques. Dans l'exemple de la figure 3, on peut réaliser un premier palier à température constante à une première 5 température T1 pour réaliser le premier traitement thermique, la température peut ensuite être progressivement augmentée pour atteindre un deuxième palier à température constante à une deuxième température T2 supérieure à la première température Ti. afin de réaliser le deuxième traitement thermique. Dans l'exemple de la figure 4, on augmente 10 progressivement la température jusqu'à la température de frittage T2. Le premier traitement thermique est effectué durant la phase d'augmentation de la température. Exemple 15 Une première composition de sol a été préparée. La composition de sol comprenait un mélange de deux précurseurs sol-gel silicatés : le tétraéthylorthosilicate (TEOS) (22,5% volumique) et le 3- (trinnéthoxysilyppropylméthacrylate (MAP) (3% volumique). Le sol comprenait en outre un précurseur sol-gel d'yttrium : du nitrate d'yttrium 20 hexahydraté (13% volumique). Le taux d'hydrolyse du sol a été fixé à 1,22. De l'acide nitrique (3% volumique) a été utilisé pour peptiser le sol. Le solvant utilisé pour le sol était de l'éthanol. Ce sol a ensuite été incorporé à une suspension de disilicate d'yttrium composée de poudre de disilicate d'yttrium, de dispersant (PVP) 25 et d'éthanol. Après incorporation du sol à la suspension, le ratio massique entre la poudre de disilicate d'yttrium et la masse totale du système (poudre + sol + solvant + dispersant), noté %charge et défini par l'équation ci-dessous était égal à 40%. m (Y2Si207) m (Y2Si207) + m (sol) + m (solvant) + m (dispersant) 30 Le pourcentage de dispersant dans la suspension était de 1% massique. La composition de revêtement ainsi obtenue présentait un rapport R de 40%. %charge = 3053329 11 La composition de revêtement a ensuite été appliquée à la surface d'une pièce en CMC présentant une couche d'accrochage en silicium. La méthode de dépôt utilisée pour élaborer le revêtement est la méthode de trempage-retrait. La barrière environnementale a été obtenue 5 en répétant quatre fois les étapes d'application, de transformation du précurseur et de frittage. Une barrière environnementale d'une épaisseur de 50 pm a ainsi été obtenue. Les caractéristiques suivantes ont été mises en oeuvre pour réaliser les premier et deuxième traitements thermiques : rampes en température de 50°C/heure et paliers de températures réalisés 10 à 700°C durant 1 heure, à 900° durant 1 heure, à 1100°C durant 1 heure et à 1315°C pendant 5 heures. La figure 5 est une photographie de la barrière environnementale ainsi obtenue. On a représenté à la figure 6 une photographie de la barrière 15 environnementale ainsi formée après réalisation d'un essai de corrosion. La figure 6 montre que la barrière environnementale obtenue par mise en oeuvre de l'invention reste adhérente après l'essai de corrosion. A titre comparatif, le même essai de corrosion a été réalisé sur une barrière environnementale obtenue par un procédé voie liquide de l'art antérieur 20 où une suspension de disilicate d'yttrium (sans précurseur sol-gel) a été appliquée puis frittée. Le résultat de cet essai comparatif est illustré à la figure 7 où l'on constate un écaillage prématuré de la barrière environnementale après l'essai de corrosion. 25 L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes. REVENDICATIONS1. Procédé de revêtement d'une pièce (50) en matériau composite à matrice céramique par une barrière environnementale (64), le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : a) appliquer sur la surface (S) de la pièce (50) une composition de revêtement liquide (55) comprenant au moins une poudre (56) d'un premier silicate de terre rare et au moins un précurseur sol-gel d'un deuxième silicate de terre rare, b) transformer le précurseur sol-gel en deuxième silicate de terre rare en effectuant un premier traitement thermique de la composition de revêtement liquide (55) appliquée, et c) fritter la poudre du premier silicate de terre rare avec le deuxième silicate de terre rare obtenu lors de l'étape b) en effectuant un deuxième traitement thermique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la composition de revêtement appliquée (55) présente un rapport R = [masse du précurseur sol-gel du deuxième silicate de terre rare]/[masse de la poudre du premier silicate de terre rare] compris entre 20% et 60%. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le rapport R est compris entre 30% et 50%. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la taille moyenne des particules de la poudre (56) du premier silicate de terre rare est inférieure ou égale à 1,5 pm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la composition de revêtement (55) est appliquée sur une couche d'accrochage (54) comprenant du silicium et présente sur la surface (S) de la pièce (50). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier silicate de terre rare est identique au deuxième silicate de terre rare. 3053329 13 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier silicate de terre rare est différent du deuxième silicate de terre rare. 5 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'un au moins des premier et deuxième silicates de terre rare est le disilicate d'yttrium. 10 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les étapes a) à c) sont répétées afin d'obtenir la barrière environnementale (64). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans 15 lequel la pièce (50) est une pièce de turbomachine.