Brevet FR3072975A1 — publié le 20190503

PIECE COMPORTANT UN REVETEMENT DE PROTECTION A COMPOSITION GRADUELLE DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR La présente invention concerne en général les traitements surfaciques 5 appliqués aux pièces mécaniques, notamment lorsqu'elles sont confrontées à des conditions d'utilisation exigeantes. Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des couches de matériaux protecteurs déposées sur des pièces réalisées en matériaux composites à matrice céramique utilisées dans les moteurs 10 d'aéronefs, et plus particulièrement dans les chambres de combustion, les turbines haute pression et les composants d'échappement des moteurs. L'invention est néanmoins applicable à n'importe quel type de pièce comportant des portions réalisées en matériau composite à matrice céramique. 15 Les composites à matrice céramique (CMC) sont de plus en plus largement utilisés dans l'industrie aéronautique pour leurs excellentes propriétés structurelles, leur faible densité ainsi que leur excellente tenue à l'oxydation jusqu'à des températures de l'ordre de 1000°C. Pour faire face à une exposition prolongée à de telles conditions, par 20 exemple dans la chambre de combustion d'un moteur d'aéronef, les pièces réalisées en matériau composite à matrice céramique sont classiquement recouvertes d'une couche de Silicium protégeant la pièce contre l'oxydation, l'oxydation produisant de la silice (902). Une couche de 902 se forme en surface de la couche de silicium, la 25 vitesse de formation du 902 diminuant au fur et à mesure que la couche de 902 s'épaissit, formant ainsi une barrière ralentissant l'oxydation et limitant la consommation du silicium Si présent dans la matrice du matériau composite. Dans le cas d'une utilisation en atmosphère de corrosion humide, en 30 présence d'espèces comprenant des hydroxydes OH (g), la couche de silice se volatilise très rapidement dès 1100 °C sous forme d'espèces d'acides 2 siliciques de formule générale SiOx(01-1) ,4-2x, telles que de l'acide orthosilicique Si(OH)4 (g) ou de l'acide métasilicique SiO(OH)2 (g). Ce phénomène entraine une diminution de la vitesse nette de croissance de la silice SiO2 dont l'épaisseur tend vers une valeur limite et 5 une récession accélérée du silicium présent dans la matrice du matériau composite. Pour répondre à ce phénomène, il est connu dans l'art antérieur de déposer une couche de céramique conçue pour faire obstacle à la diffusion des hydroxydes OH accélérant la dégradation de la pièce, qui présente une i.o faible conductivité thermique et qui résiste à l'érosion causée par des particules solides. Ces solutions rencontrent toutefois des limites, notamment en cas d'écaillage de la couche de céramique de surface, de fissurations dues à des chocs ou à des cycles thermiques générant des gradients de contraintes 15 entre matériaux ayant des coefficients de dilatation trop différents. Ainsi, la couche de silice est de nouveau exposée à une atmosphère de corrosion humide, conduisant à une dégradation accélérée de sa structure et une diminution de la durée de vie de la pièce. Il est également connu dans l'état de la technique de réaliser des 20 sous-couches comportant de l'aluminium dans les systèmes de barrières thermiques des chambres de combustion ou des composants de turbine haute pression réalisées en superalliage à base de nickel et/ou de cobalt. L'oxydation de ces sous-couches génère une couche d'alumine, qui protège la pièce contre une oxydation plus importante, notamment en 25 milieu corrosif humide grâce à la bonne stabilité chimique de l'alumine vis-à-vis de la vapeur d'eau. L'alumine présente en outre une vitesse de formation plus faible que la silice, ce qui permet d'augmenter la durée de vie de la protection grâce au besoin réduit en quantité de matière nécessaire à alimenter la réaction. 30 L'alumine présente également l'avantage d'une bonne compatibilité physico-chimique avec la barrière thermique en céramique, et présente également un coefficient de dilatation thermique proche de celui de la barrière thermique en céramique. 3 L'utilisation de telles sous-couches génératrices d'alumine pour la protection de matériaux riches en Si tels que les composites à matrice céramique ou les siliciures (nitrure de silicium Si3N4, siliciure de molybdène MoSix, siliciure de niobium NbSi, ...) est cependant contre-indiquée en raison de l'importante différence entre les coefficients de dilatation thermique des différents substrats. En outre, un phénomène d'inter-diffusion croisée de la pièce en composite à matrice céramique riche en Si et de la couche génératrice d'alumine riche en aluminium entraîne la formation de phases non désirées à faible ductilité, fragilisant l'interface entre la couche de protection et la pièce et pouvant mener à l'écaillage de la couche de protection, laissant la pièce vulnérable à la corrosion. Ainsi, dans l'état de l'art actuel, il n'existe pas de solutions efficaces permettant de faire le lien entre les matériaux à base de siliciures, efficient mécaniquement mais peu résistant à l'oxydation à haute température, et les matériaux alumine-formeurs résistants à l'oxydation mais possédant des propriétés mécaniques modestes à température élevée. La présente invention se propose de remédier à ce manque. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Un but de l'invention est d'améliorer la résistance à la corrosion en milieu humide des pièces en matériau composite à matrice céramique. Un autre but est d'augmenter la durée de vie des pièces en matériau composite à matrice céramique. Un autre but est d'assurer la cohésion mécanique et chimique d'un revêtement comportant principalement un composite d'aluminium avec une pièce comportant principalement un composite de silicium. L'invention permet de répondre aux spécifications suivantes : - Disposer d'un revêtement stable à haute température ( REVENDICATIONS1. Pièce mécanique (1) comportant au moins partiellement un matériau composite à matrice céramique, ledit matériau composite étant recouvert au moins localement d'au moins une couche de protection (2) contre les dégradations environnementales, caractérisée en ce que la couche de protection (2) comporte une couche de revêtement à composition graduelle (3), cette couche à composition graduelle (3) comportant au moins un matériau de phase MAX de silicium et un matériau de phase MAX d'aluminium, la couche à composition graduelle (3) s'étendant au sein de la couche de protection (2) entre une première hauteur (h3) par rapport à la pièce mécanique (1) et une deuxième hauteur (h4) par rapport à la pièce mécanique (3), la composition de la couche à composition graduelle (3) à la première hauteur (h3) ne comportant pas d'aluminium, la composition de la couche à composition graduelle (3) à la deuxième hauteur (h4) ne comportant pas de silicium, une hauteur intermédiaire (h) située entre la première hauteur (h3) et la deuxième hauteur (h4) présentant une composition comportant de l'aluminium et du silicium, la part d'aluminium et la part de silicium évoluant graduellement dans la couche à composition graduelle (3) en fonction de la position de la hauteur intermédiaire (h), la part d'aluminium augmentant lorsque la hauteur intermédiaire (h) se rapproche de la deuxième hauteur (h4). 2. Pièce mécanique (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la part d'aluminium et la part de silicium évoluent linéairement en fonction de la hauteur intermédiaire (h) dans la couche à composition graduelle (3). 3. Pièce mécanique (1) selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérisée en ce que la somme des proportions molaires de silicium 21 et d'aluminium est constante quelle que soit la position de la hauteur intermédiaire (h) dans la couche composition graduelle (3). 4. Pièce mécanique (1) selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que la couche à composition graduelle (3) comporte les matériaux de phase MAX Ti3AIC2 et Ti3SiC2. 5. Pièce mécanique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comporte : 10 - Une sous-couche (4), comportant essentiellement du Silicium dont l'épaisseur peut être comprise entre 10pm et 100 pm ; - Une couche à composition graduelle (3) d'une épaisseur comprise entre 50 pm et 500 pm, avec une substitution du Si par l'Al en s'éloignant de la pièce à un taux compris entre 0.1 15 et 0.4 atWo/pm ; - Une couche génératrice (6) d'une épaisseur de 10 à 300 pm, composée essentiellement de Ti2AIC de manière à générer de l'alumine en surface lorsqu'elle est oxydée, pour augmenter la résistance en milieu humide ; 20 - Une couche d'alumine (7) ; - Une barrière environnementale (8) formée de céramique, d'une épaisseur comprise entre 50 pm à 1000 pm, configurée pour limiter les transferts entre le milieu extérieur et la pièce (1). 25 6. Pièce mécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte : - Une sous-couche (4) de silicium dont l'épaisseur peut être comprise entre 10pm et 100 pm ; 30 - Une couche à composition graduelle (3) d'une épaisseur comprise entre 50 pm et 500 pm, avec une substitution du Si par l'Al en s'éloignant de la pièce à un taux compris entre 0.1 et 0.4 atWo/pm ; 22 - Une couche génératrice (6) d'une épaisseur de 50 à 300 pm composée essentiellement de Ti2AIC de manière à générer de l'alumine en surface lorsqu'elle est oxydée ; - Une couche d'alumine (7). 5 7. Pièce mécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : - Une couche à composition graduelle (3) d'une épaisseur comprise entre 50 pm et 500 pm, avec une substitution du Si 10 par l'Al en s'éloignant de la pièce à un taux compris entre 0.1 et 0.4 atWo/pm ; - Une couche génératrice (6) d'une épaisseur de 50 à 300 pm composée essentiellement de Ti3AIC2, configurée pour générer de l'alumine en surface lorsqu'elle est oxydée ; 15 - Une couche d'alumine (7). 8. Procédé de dépôt (9) d'au moins une couche de protection (2) sur une pièce mécanique (1), la couche de protection (2) comportant au moins une couche à composition graduelle (3), le procédé (9) comportant les 20 étapes suivantes : - Réalisation de la couche à composition graduelle (3) par projection thermique des espèces composant ladite couche (3) ; caractérisé en ce que la couche à composition graduelle (3) comporte 25 au moins un matériau de phase MAX de silicium et un matériau de phase MAX d'aluminium, et en ce que la couche à composition graduelle (3) est réalisée en injectant dans un dispositif de projection thermique (11) d'une part des particules de matériau de phase MAX d'aluminium et d'autre part des particules de matériau de phase MAX 30 de silicium, le matériau de phase MAX d'aluminium se substituant peu à peu au matériau de phase MAX de silicium en fonction de la hauteur de couche réalisée. 23 9. Procédé de dépôt (9) d'au moins une couche de matière sur une pièce (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules de matériau de phase MAX d'aluminium et de matériau de phase MAX de silicium sont des poudres de Ti3AIC2 et de Ti3SiC2 mises en suspension 5 dans un solvant dans deux contenants respectifs, les suspensions de Ti3AIC2 et de Ti3SiC2 étant ensuite injectées en proportion contrôlée dans un plasma (10) configuré pour chauffer et projeter les suspensions de matériau de phase MAX sur la pièce (1), réalisant ainsi le dépôt. 10 10.Procédé de dépôt (9) d'au moins une couche de matière sur une pièce (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le solvant est un solvant non aqueux configuré pour limiter la l'oxydation des particules de Ti3AIC2 et de Ti3SiC2, de manière à limiter la présence d'oxydes dans la couche à composition graduelle (3). 15 11.Dispositif de projection thermique (11) en voie liquide pour mettre en oeuvre un procédé de dépôt (9) d'au moins une couche de matière sur une pièce (1) selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en qu'il comporte : 20 Un premier réservoir (15) contenant une suspension particules de matériau de phase MAX d'aluminium dans solvant ; Un deuxième réservoir (16) contenant une suspension particules de matériau de phase MAX de silicium dans 25 solvant ; Un premier (13) et un deuxième (14) injecteurs de suspension, le premier injecteur de suspension (13) étant lié au premier réservoir (15) par l'intermédiaire d'une première conduite (17), le deuxième injecteur de suspension (14) étant lié au 30 deuxième réservoir (16) par l'intermédiaire d'une deuxième conduite (18), les injecteurs de suspension (13, 14) étant configurés pour piloter le débit d'injection de particules d'aluminium et de silicium ; ce de un de un 24 Une torche de projection thermique (12), configurée pour générer un plasma ou une flamme (10) dans lequel sont injectées les particules de matériau de phase MAX d'aluminium et de matériau de phase MAX de silicium, le plasma ou la 5 flamme (10) chauffant et projetant ainsi les particules injectées en son sein sur la pièce (1). 12. Dispositif de projection thermique (11) selon la revendication 11, caractérisé en ce que les particules d'aluminium et de silicium sont des 10 poudres de Ti3AIC2 et de Ti3SiC2.