Brevet FR3100545A1 — publié le 20210312

Pièce revêtue comprenant un revêtement protecteur à base de phases MAX La présente invention concerne une pièce revêtue (10) comprenant un substrat métallique (11), une barrière thermique et un revêtement protecteur comprenant au moins deux zones superposées (17 ; 19) à base de phases MAX. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Pièce revêtue comprenant un revêtement protecteur à base de phases MAX La présente invention concerne une pièce comprenant un substrat métallique revêtu d’une barrière thermique recouverte par un revêtement protecteur comprenant au moins deux phases MAX de compositions distinctes. La présente invention vise également le procédé de fabrication d’une telle pièce, et son utilisation à haute température et sous une atmosphère oxydante. Afin d’améliorer leur rendement, les turbines haute pression (TuHP) des systèmes stationnaires terrestres ou pour propulsion aéronautique sont soumises à des températures de plus en plus élevées. Dans ces conditions, les composants métalliques des TuHP nécessitent d’être davantage protégés pour maintenir leur température de surface à un niveau suffisamment bas pour garantir leur intégrité fonctionnelle et limiter leur oxydation et corrosion par l’atmosphère environnante. Pour répondre à cela, il est connu d’utiliser des barrières thermiques qui sont généralement constituées d’une couche, dite couche d’accrochage, permettant une protection contre l’oxydation et la corrosion, et qui est déposée à la surface du composant, ainsi que d’une couche céramique surmontant cette couche d’accrochage dont la fonction première est de limiter la température de surface des composants revêtus. Afin d’assurer sa fonction de protection contre l’oxydation et la corrosion et de favoriser l’accrochage du revêtement céramique, la couche d’accrochage est pré-oxydée afin de former à sa surface une couche d’alumine dense. Cette couche d’alumine est communément désignée par l’expression « Thermally Growth Oxide » ou « TGO » dans la littérature anglo-saxonne. La durée de vie des barrières thermiques est conditionnée par la résistance de l’empilement au cyclage thermique, d’une part, et par sa résistance aux agressions environnementales d’autre part (érosion par les particules solides, résistance chimique, corrosion …). En particulier, les systèmes connus peuvent se dégrader lorsqu’ils sont exposés à une ambiance riche en particules de sable (riche en composés inorganiques de type silice), ou encore à des éléments communément appelés CMAS (pour oxydes de « Calcium-Magnésium AluminoSilicate »). En effet, l’infiltration des CMAS à l’état fondu dans la barrière thermique peut généralement produire une dégradation par rigidification de la couche infiltrée conduisant à une rupture mécanique, et par déstabilisation par dissolution chimique de la barrière thermique. Pour s’affranchir de cette problématique, des compositions dites anti-CMAS, principalement à base de cations de terres rares tels les zirconates de terres rares, comme Gd 2 Zr 2 O 7 ou Nd 2 Zr 2 O 7 , ont été développées en mettant à profit la formation d’une couche barrière étanche par réaction chimique avec le CMAS. Toutefois ces systèmes peuvent présenter des limitations réduisant leur efficacité et menant à des durées de vie opérationnelles qui peuvent être améliorées. En effet, la réaction des CMAS avec les matériaux dits anti-CMAS nécessite la dissolution dudit matériau dans le CMAS pour qu’il précipite en des phases stables à la température de fonctionnement permettant de bloquer l’infiltration. Or, ces réactions nécessitent la pénétration du CMAS sur une certaine profondeur du revêtement anti-CMAS, ce qui fragilise le système barrière thermique d’un point de vue mécanique. En effet, la ténacité intrinsèque des zirconates de terres rares (K 1C_Gd2Zr2O7 = 0,5-1,0 MPa.m 0,5 ) est très inférieure à celle de la zircone yttriée partiellement stabilisée typiquement utilisée dans la barrière thermique (K 1C_8YPSZ = 3-4 MPa.m 0,5 ). Ceci peut rendre les couches céramiques à base de zirconates de terre rare sensibles à l’écaillage progressif lorsque cette couche est imprégnée de CMAS et soumise à des cycles thermiques ou au phénomène d’érosion. Ainsi, il est souhaitable de disposer de nouvelles solutions pour améliorer la durée de vie des revêtements de barrière thermique. La présente invention vise selon un premier mode de réalisation une pièce revêtue comprenant : - un substrat métallique, - une barrière thermique comprenant un matériau céramique et recouvrant le substrat métallique, caractérisée en ce que la pièce revêtue comprend en outre un revêtement protecteur recouvrant la barrière thermique, le revêtement protecteur comprenant, dans une première zone, une première phase MAX, notée PZ2, de formule (Zr x Ti 1-x ) 2 AlC ou une première phase MAX, notée PC2, de formule (Cr x Ti 1-x ) 2 AlC avec x non nul et inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ2 et PC2, et le revêtement protecteur comprenant, dans une deuxième zone recouvrant la première zone, une deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC. La présente invention vise selon un deuxième mode de réalisation une pièce revêtue comprenant : - un substrat métallique, - une barrière thermique comprenant un matériau céramique et recouvrant le substrat métallique, caractérisée en ce que la pièce revêtue comprend en outre un revêtement protecteur recouvrant la barrière thermique, le revêtement protecteur comprenant, dans une première zone, une première phase MAX, notée PZ3, de formule (Zr x Ti 1-x ) 3 AlC 2 ou une première phase MAX, notée PC3, de formule (Cr x Ti 1-x ) 3 AlC 2 avec x non nul et inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ3 et PC3, et le revêtement protecteur comprenant, dans une deuxième zone recouvrant la première zone, une deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 . Le revêtement protecteur à base de phases MAX décrit plus haut forme une couche d’alumine (Al 2 O 3 ) à sa surface lorsqu’il est soumis à une haute température en milieu oxydant. Cette couche d’alumine permet d’améliorer la résistance à l’oxydation et à la corrosion mais aussi de fournir une protection contre les CMAS. En effet, la couche d’alumine générée réagit avec le CMAS liquide pour former une couche réactive dense constituée d’un mélange majoritaire de phases d’anorthite (CaAl 2 Si 2 O 8 ) et de spinelle (MgAl 2 O 4 ), ce qui permet d’éviter l’infiltration de la barrière thermique sous-jacente. En outre, la première zone comprenant une phase MAX à base de zirconium ou de chrome intercalée entre la deuxième zone et la barrière thermique permet de limiter la diffusion croisée entre les éléments de la barrière thermique et de la deuxième phase MAX. Cela améliore la compatibilité chimique entre les différents éléments du revêtement de la pièce. La première zone permet aussi d’accommoder les déformations mécaniques induites par la différence de coefficients de dilatation thermique entre la deuxième phase MAX et la barrière thermique, ce qui participe aussi à améliorer la durée de vie du revêtement de la pièce à chaud. Ainsi, le revêtement protecteur mis en œuvre dans le cadre de l’invention permet d’améliorer la protection de la barrière thermique contre les CMAS et l’oxydation. En particulier, le revêtement protecteur fournit une meilleure protection qu’une simple couche de Ti 2 AlC ou de Ti 3 AlC 2 déposée directement sur la barrière thermique du fait de la présence de la première zone qui améliore la compatibilité chimique de l’ensemble et accommode les déformations en fonctionnement. Le revêtement protecteur présente en outre une ténacité élevée lui conférant une bonne résistance au cyclage thermique, une bonne tenue à l’érosion et à l’écaillage progressif généré par les CMAS imprégnés au sein du revêtement protecteur en fonctionnement. Dans un exemple de réalisation, l’épaisseur de la première zone est supérieure ou égale à 0,5 fois l’épaisseur de la deuxième zone, de préférence supérieure ou égale à l’épaisseur de la deuxième zone. Une telle caractéristique permet d’améliorer davantage encore la compatibilité chimique et d’accommoder davantage encore les déformations mécaniques en fonctionnement. En particulier, le rapport [épaisseur de la première zone] / [épaisseur de la deuxième zone] peut être compris entre 1 et 5, de préférence entre 1 et 3. Dans un exemple de réalisation, le revêtement protecteur comprend en outre une zone intercalaire située entre la première zone et la barrière thermique, la zone intercalaire comprenant du zirconium ou un alliage de zirconium, ou du chrome ou un alliage de chrome. Le fait de déposer du zirconium ou du chrome avant le reste du revêtement protecteur permet d’éviter tout risque de dégradation de la barrière thermique sous-jacente par érosion durant la formation du revêtement protecteur lorsqu’une technique de projection de particules est utilisée. La présence de la zone intercalaire dans la pièce revêtue après formation du revêtement protecteur permet en outre d’améliorer davantage encore la compatibilité chimique entre la barrière thermique et le reste du revêtement protecteur. Dans le cas particulier du deuxième mode de réalisation, le revêtement protecteur peut, en outre, comprendre une couche protectrice supplémentaire recouvrant la deuxième zone et comprenant une phase MAX de formule Ti 2 AlC. L’ajout de cette couche protectrice Ti 2 AlC permet d’améliorer davantage encore la stabilité de la couche protectrice d’alumine formée par rapport à l’emploi seul de Ti 3 AlC 2 . Cela permet d’améliorer les performances de la pièce lorsqu’elle est employée à une température particulièrement élevée. Dans un exemple de réalisation, le substrat métallique est une pièce de turbomachine. En particulier, le substrat métallique peut être une pièce de turbine. Le substrat métallique peut être une aube de turbomachine, par exemple une aube de turbine, ou un distributeur. L’invention vise également une turbomachine comprenant une pièce revêtue telle que décrite plus haut. La turbomachine peut être une turbomachine d’un moteur aéronautique ou être une turbomachine industrielle. Ainsi, l’invention vise en particulier un aéronef comprenant une telle turbomachine ou encore une installation industrielle comprenant une telle turbomachine. L’invention vise également un procédé de fabrication d’une pièce revêtue selon le premier mode de réalisation décrit plus haut et avec x inférieur à 1 dans les phases MAX PZ2 et PC2, le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PZ2 : - le dépôt de zirconium ou d’un alliage de zirconium sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur le zirconium ou l’alliage de zirconium précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du zirconium dans la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC afin d’obtenir la pièce revêtue, ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC2 : - le dépôt de chrome ou d’un alliage de chrome sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur le chrome ou l’alliage de chrome précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du chrome dans la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC afin d’obtenir la pièce revêtue. Dans ce cas relatif au premier mode de réalisation, la première zone résulte de la diffusion du zirconium ou du chrome dans la phase Ti 2 AlC pour former une solution solide. Dans ce cas, x est inférieur à 1, c’est-à-dire que les phases MAX PZ2 et PC2 comprennent à la fois du zirconium et du titane ou du chrome et du titane. La diffusion du zirconium ou du chrome est réalisée sous l’effet d’un traitement thermique. On notera que cette diffusion peut être réalisée lors du dépôt de la deuxième phase MAX, si celle-ci est déposée à haute température, comme c’est le cas lors de l’emploi d’une technique de projection thermique par exemple. On ne sort toutefois pas du cadre de l’invention lorsque ce traitement thermique de diffusion constitue une étape distincte réalisée après le dépôt de la deuxième phase MAX, par exemple dans le cas où la deuxième phase MAX est déposée à basse température par exemple par projection à froid ou par électrophorèse. L’invention vise également un procédé de fabrication d’une pièce selon le premier mode de réalisation décrit plus haut et avec x inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ2 et PC2, le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PZ2 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PZ2 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone, ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC2 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PC2 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone. Dans ce cas relatif au premier mode de réalisation, on dépose directement les matériaux correspondant aux phases souhaitées dans les première et deuxième zones. En d’autres termes, les premières et deuxièmes zones sont formées sans nécessiter de diffusion de zirconium ou de chrome dans la phase MAX Ti 2 AlC à la différence du cas qui vient d’être décrit. On forme ainsi deux couches distinctes correspondant à chacune des première et deuxième zones. L’invention vise également un procédé de fabrication d’une pièce selon le deuxième mode de réalisation décrit plus haut et avec x inférieur à 1 dans les phases MAX PZ3 et PC3, le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PZ3 : - le dépôt de zirconium ou d’un alliage de zirconium sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur le zirconium ou l’alliage de zirconium précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du zirconium dans la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 afin d’obtenir la pièce revêtue, ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC3 : - le dépôt de chrome ou d’un alliage de chrome sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur le chrome ou l’alliage de chrome précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du chrome dans la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 afin d’obtenir la pièce revêtue. Dans ce cas relatif au deuxième mode de réalisation, la première zone résulte de la diffusion du zirconium ou du chrome dans la phase Ti 3 AlC 2 pour former une solution solide. Dans ce cas, x est inférieur à 1, c’est-à-dire que les phases MAX PZ3 et PC3 comprennent à la fois du zirconium et du titane ou du chrome et du titane. Cette diffusion peut être réalisée lors du dépôt de la deuxième phase MAX ou après ce dépôt comme indiqué plus haut. L’invention vise également un procédé de fabrication d’une pièce selon le deuxième mode de réalisation décrit plus haut et avec x inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ3 et PC3, le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PZ3 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PZ3 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone, ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC3 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PC3 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone. Dans ce cas relatif au deuxième mode de réalisation, on dépose directement les matériaux correspondant aux phases souhaitées dans les première et deuxième zones. En d’autres termes, les premières et deuxièmes zones sont formées sans nécessiter de diffusion de zirconium ou de chrome dans la phase MAX Ti 3 AlC 2 à la différence du cas qui vient d’être décrit. On forme ainsi deux couches distinctes correspondant à chacune des première et deuxième zones. L’invention vise également un procédé d’utilisation d’une pièce telle que décrite plus haut, le procédé comprenant une étape d’utilisation de ladite pièce à une température supérieure ou égale à 800°C en milieu oxydant. La figure 1 illustre de manière schématique un premier exemple de pièce revêtue selon l’invention. La figure 2 illustre de manière schématique un deuxième exemple de pièce revêtue selon l’invention. La figure 3 illustre de manière schématique un troisième exemple de pièce revêtue selon l’invention. La figure 4 illustre de manière schématique un quatrième exemple de pièce revêtue selon l’invention. La figure 5 est une vue en perspective d’un substrat métallique pouvant être mis en œuvre dans le cadre de l’invention lequel constitue une aube de turbomachine. La figure 6 est une vue en perspective d’une roue de turbomachine incorporant une pluralité de pièces revêtues selon l’invention. La figure 7 illustre une première étape d’un procédé de fabrication de la pièce selon le premier exemple illustré à la figure 1. La figure 8 illustre une deuxième étape d’un procédé de fabrication de la pièce selon le premier exemple illustré à la figure 1. La figure 9 illustre l’obtention de la pièce selon le premier exemple illustré à la figure 1 après diffusion entre les éléments déposés. La figure 10 illustre une première étape d’un procédé de fabrication de la pièce selon le troisième exemple illustré à la figure 3. La figure 11 illustre une deuxième étape d’un procédé de fabrication de la pièce selon le troisième exemple illustré à la figure 3. La figure 12 illustre une troisième étape d’un procédé de fabrication de la pièce selon le troisième exemple illustré à la figure 3. La figure 13 illustre une quatrième étape d’un procédé de fabrication de la pièce selon le troisième exemple illustré à la figure 3. Pièce revêtue (10-40) comprenant : - un substrat métallique (11-41), - une barrière thermique comprenant un matériau céramique (15-45) et recouvrant le substrat métallique, caractérisée en ce que la pièce revêtue comprend en outre un revêtement protecteur recouvrant la barrière thermique, le revêtement protecteur comprenant, dans une première zone (17-47), une première phase MAX, notée PZ2, de formule (Zr x Ti 1-x ) 2 AlC ou une première phase MAX, notée PC2, de formule (Cr x Ti 1-x ) 2 AlC avec x non nul et inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ2 et PC2, et le revêtement protecteur comprenant, dans une deuxième zone (19-49) recouvrant la première zone, une deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC. Pièce revêtue (10-40) comprenant : - un substrat métallique (11-41), - une barrière thermique comprenant un matériau céramique (15-45) et recouvrant le substrat métallique, caractérisée en ce que la pièce revêtue comprend en outre un revêtement protecteur recouvrant la barrière thermique, le revêtement protecteur comprenant, dans une première zone (17-47), une première phase MAX, notée PZ3, de formule (Zr x Ti 1-x ) 3 AlC 2 ou une première phase MAX, notée PC3, de formule (Cr x Ti 1-x ) 3 AlC 2 avec x non nul et inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ3 et PC3, et le revêtement protecteur comprenant, dans une deuxième zone (19-49) recouvrant la première zone, une deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 . Pièce revêtue (10-40) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’épaisseur (e 1 ) de la première zone (17-47) est supérieure ou égale à 0,5 fois l’épaisseur (e 2 ) de la deuxième zone (19-49). Pièce revêtue (30-40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le revêtement protecteur comprend en outre une zone intercalaire (34 ; 44) située entre la première zone (37 ; 47) et la barrière thermique, la zone intercalaire comprenant du zirconium ou un alliage de zirconium, ou du chrome ou un alliage de chrome. Pièce revêtue (20 ; 40) selon la revendication 2 ou selon la revendication 3 ou 4 rattachée à la revendication 2, dans laquelle le revêtement protecteur comprend, en outre, une couche protectrice supplémentaire (22 ; 42) recouvrant la deuxième zone (29 ; 49) et comprenant une phase MAX de formule Ti 2 AlC. Pièce revêtue (10-40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le substrat métallique est une pièce de turbomachine. Turbomachine comprenant une pièce revêtue (10-40) selon la revendication 6. Procédé de fabrication d’une pièce revêtue (10 ; 20) selon la revendication 1 ou selon l’une quelconque des revendications 3, 4 ou 6 rattachées à la revendication 1 et avec x inférieur à 1 dans les phases MAX PZ2 et PC2, le procédé comprenant lorsque la première zone (17 ; 27) comprend la première phase MAX PZ2 : - le dépôt de zirconium ou d’un alliage de zirconium sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur le zirconium ou l’alliage de zirconium précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du zirconium dans la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC afin d’obtenir la pièce revêtue, ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC2 : - le dépôt de chrome ou d’un alliage de chrome sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur le chrome ou l’alliage de chrome précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du chrome dans la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC afin d’obtenir la pièce revêtue. Procédé de fabrication d’une pièce (30 ; 40) selon la revendication 1 ou selon l’une quelconque des revendications 3, 4 ou 6 rattachées à la revendication 1 et avec x inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ2 et PC2, le procédé comprenant lorsque la première zone (37 ; 47) comprend la première phase MAX PZ2 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PZ2 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone (39 ; 49), ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC2 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PC2 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 2 AlC sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone. Procédé de fabrication d’une pièce (10 ; 20) selon la revendication 2 ou selon l’une quelconque des revendications 3 à 6 rattachées à la revendication 2 et avec x inférieur à 1 dans les phases MAX PZ3 et PC3, le procédé comprenant lorsque la première zone (17 ; 27) comprend la première phase MAX PZ3 : - le dépôt de zirconium ou d’un alliage de zirconium sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur le zirconium ou l’alliage de zirconium précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du zirconium dans la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 afin d’obtenir la pièce revêtue, ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC3 : - le dépôt de chrome ou d’un alliage de chrome sur la barrière thermique, - le dépôt de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur le chrome ou l’alliage de chrome précédemment déposé, et - un traitement thermique de diffusion du chrome dans la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 afin d’obtenir la pièce revêtue. Procédé de fabrication d’une pièce (30 ; 40) selon la revendication 2 ou selon l’une quelconque des revendications 3 à 6 rattachées à la revendication 2 et avec x inférieur ou égal à 1 dans les phases MAX PZ3 et PC3, le procédé comprenant lorsque la première zone (37 ; 47) comprend la première phase MAX PZ3 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PZ3 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone (39 ; 49), ou le procédé comprenant lorsque la première zone comprend la première phase MAX PC3 : - le dépôt d’une première couche de la première phase MAX PC3 formant la première zone, et - le dépôt d’une deuxième couche de la deuxième phase MAX de formule Ti 3 AlC 2 sur la première couche, la deuxième couche formant la deuxième zone. Procédé d’utilisation d’une pièce (10-40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, le procédé comprenant une étape d’utilisation de ladite pièce à une température supérieure ou égale à 800°C en milieu oxydant.