Brevet FR3124507A1 — publié le 20221230

Procédé de revêtement d’au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore La présente invention concerne un procédé de revêtement d’au moins une fibre (11) par une interphase de nitrure de bore, comprenant le traitement de ladite au moins une fibre par un milieu de traitement (22) comprenant du borazane et ayant une température supérieure ou égale à 100°C et une pression supérieure ou égale à 1 bar. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de revêtement d’au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore La présente invention concerne un procédé de traitement d’au moins une fibre, notamment en céramique et par exemple en carbure de silicium, permettant de la revêtir par une interphase de nitrure de bore (BN). Les matériaux composites à matrice céramique (« matériaux CMC ») présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. Ils constituent une alternative intéressante par rapport aux pièces métalliques couramment utilisées, car ils permettent un allégement de la structure. Un matériau CMC peut être réalisé par élaboration d’une préforme fibreuse dont la forme est similaire à celle de la pièce finale qui est ensuite densifiée par une matrice céramique. Le fonctionnement d’un matériau CMC nécessite une gestion spécifique des liaisons interfaciales entre fibres et matrice, afin d’accéder au caractère endommageable du composite final. Cette modulation des interfaces est obtenue, classiquement par interposition d’une interphase entre la fibre et la matrice. Dans le cadre d’applications thermostructurales, l’emploi de nitrure de bore pour l’interphase peut être privilégié par rapport au pyrocarbone (PyC) pour son comportement à l’oxydation plus intéressant. L’interphase de nitrure de bore peut être déposée sur les fibres d’une préforme déjà obtenue par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI »). Cette technique présente une cinétique de dépôt relativement lente qui augmente le temps de fabrication ainsi que son coût. Une problématique de la technique CVI est le transfert de masse des espèces réactives vers le cœur du substrat, qui peut limiter les cinétiques de dépôt. Par ailleurs, la technique CVI peut induire des réactivités différentes au cœur et à l’extérieur de la préforme, pouvant conduire à des hétérogénéités de matériaux obtenus. Le nitrure de bore peut être obtenu par CVI à partir de trichlorure de bore (BCl 3 ) ou trifluorure de bore (BF 3 ) qui sont des composés toxiques. Des précurseurs alternatifs comme les alkylo-boranes possèdent des atomes de carbone dans leur structure et peuvent conduire à une pollution carbonée dans le dépôt d’interphase. Il est souhaitable de disposer de procédés de formation d’une interphase de nitrure de bore s’affranchissant de l’emploi de précurseurs trichlorure de bore et trifluorure de bore et limitant les pollutions dans le dépôt. En outre, il est souhaitable que ces procédés présentent une cinétique de dépôt plus élevée que le procédé CVI tout en produisant un revêtement homogène. La présente invention concerne un procédé de revêtement d’au moins une fibre par une interphase de nitrure de bore, comprenant le traitement de ladite au moins une fibre par un milieu de traitement comprenant du borazane et ayant une température supérieure ou égale à 100°C et une pression supérieure ou égale à 1 bar. La mise en œuvre du milieu de traitement permet d’obtenir une cinétique de formation de l’interphase de nitrure de bore plus élevée que dans la technique CVI, en s’affranchissant en particulier des phénomènes de transferts de masse rencontrés dans cette dernière méthode. L’invention propose l’emploi de borazane (ou « ammonia borane » dans la littérature anglosaxonne, de formule chimique BH 3 NH 3 ) en tant que précurseur du nitrure de bore à obtenir pour réaliser l’interphase. Le borazane ne présente pas de dangerosité particulière lors de sa mise en œuvre et constitue un composé solide et stable aux conditions ambiantes. La formation de l’interphase de nitrure de bore est ainsi simplifiée et rendue plus sécuritaire par rapport aux techniques CVI classiques. L’interphase est formée par décomposition du borazane sous l’effet de la température. Cette décomposition peut permettre d’obtenir du nitrure de bore hexagonal et libère du dihydrogène. Le dihydrogène produit par la décomposition du borazane ne présente pas de risque majeur de toxicité ou sécurité. De plus, ce type de réactivité s’inscrit dans un développement de chimie durable, notamment au niveau de l’économie d’atomes. En outre, le choix du borazane permet en particulier de s’affranchir de l’emploi de précurseurs carbonés, comme les alkylo-boranes, évitant ainsi l’introduction de pollution dans l’interphase de nitrure de bore formée. Le milieu de traitement peut être à l’état liquide, gazeux ou supercritique. Dans un exemple de réalisation, le milieu de traitement comprend du borazane dissous dans de l’ammoniac (NH 3 ). Une telle caractéristique est avantageuse car le borazane présente une solubilité élevée dans l’ammoniac. Néanmoins, l’invention n’est pas limitée à l’emploi d’ammoniac comme solvant du borazane pour le milieu de traitement. On peut ainsi en variante utiliser du tétrahydrofurane (THF) (température critique : 267°C et pression critique : 51,9 bar) comme solvant du borazane, éventuellement avec de l’ammoniac en co-solvant pour favoriser les conditions de nitruration. En particulier, notamment dans le cas où l’ammoniac est utilisé comme solvant du borazane, la température du milieu de traitement peut être supérieure ou égale à 600°C, par exemple comprise entre 600°C et 1600°C, et la pression du milieu de traitement peut être supérieure ou égale à 10 bar, par exemple comprise entre 10 bar et 300 bar. Plus particulièrement, notamment dans le cas où l’ammoniac est utilisé comme solvant du borazane, la température du milieu de traitement est comprise entre 800°C et 1600°C, par exemple entre 900 °C et 1600°C, et la pression du milieu de traitement est comprise entre 100 bar et 150 bar. Ces conditions constituent un compromis permettant de mettre à profit la forte solubilité du borazane tout en profitant d’un transfert de matière amélioré et donc de cinétiques de dépôt plus élevées. Par ailleurs, ces pressions sont envisageables pour un développement industriel du procédé. Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une fibre est chauffée par micro-ondes durant le traitement. Le champ micro-ondes permet de porter la surface de la fibre traitée à une température suffisante permettant d’atteindre localement les conditions souhaitées et d’induire la décomposition du borazane. Le champ micro-ondes permet de chauffer la fibre dans son ensemble afin d’assurer une formation homogène de l’interphase. En outre, l’énergie nécessaire pour former l’interphase est réduite, car on chauffe directement la fibre et non plus l’enceinte de traitement en entier. On ne sort néanmoins pas du cadre de l’invention si un autre moyen de chauffage est utilisé, comme un chauffage par rayonnement d’un suscepteur. Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une fibre circule au travers d’une enceinte de traitement durant le traitement. La circulation de la fibre dans l’enceinte de traitement peut se faire dans le même sens ou à contre-courant d’une circulation du milieu de traitement. L’emploi du milieu de traitement qui permet de s’affranchir des limitations par transferts de masse et d’accélérer la cinétique de dépôt est particulièrement avantageux pour réaliser le dépôt en continu sur une fibre défilant dans l’enceinte de traitement, et ainsi améliorer fortement les cadences de formation de l’interphase. Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une fibre est en céramique ou en carbone. En particulier, ladite au moins une fibre peut être en carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. En particulier, le traitement peut être réalisé dans une enceinte de traitement et ladite au moins une fibre peut être en carbure de silicium, et ladite au moins une fibre ayant pu subir, avant le traitement, un pré-traitement d’élimination d’une couche superficielle de la fibre, dans l’enceinte de traitement, par mise en contact avec une phase d’ammoniac à une température supérieure ou égale à 100°C et à une pression supérieure ou égale à 1 bar. Dans ce cas, la fibre est pré-traitée de sorte à éliminer une couche superficielle qui peut diminuer la qualité de l’adhésion de la fibre à l’interphase de nitrure de bore. Cette caractéristique emploie une phase d’ammoniac et est réalisée dans la même enceinte que le revêtement par l’interphase de nitrure de bore, ce qui permet de supprimer des étapes de manipulation de la fibre traitée, simplifiant ainsi le procédé et diminuant ainsi sa durée. En particulier, la température de la phase d’ammoniac peut être supérieure ou égale à 600°C, par exemple comprise entre 600°C et 1600°C, et la pression de la phase d’ammoniac peut être supérieure ou égale à 1 bar, par exemple comprise entre 1 bar et 300 bar. La phase d’ammoniac peut être à l’état gazeux, liquide ou supercritique. L’invention vise également un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, comprenant au moins la formation d’une matrice dans la porosité d’un renfort fibreux, les fibres du renfort fibreux ayant été revêtues d’une interphase de nitrure de bore par mise en œuvre d’un procédé tel que décrit plus haut. On notera que le renfort fibreux peut être obtenu après revêtement d’une pluralité de fibres par l’interphase de la manière décrite plus haut. En variante, le renfort fibreux peut d’abord être formé à partir d’une pluralité de fibres, puis ce renfort est traité par le milieu de traitement de sorte à former l’interphase sur les fibres. La pièce en matériau composite peut par exemple être une pièce de turbomachine, par exemple une aube de turbomachine ou un secteur d’anneau de turbine. La représente, de manière schématique, le traitement d’une fibre dans une enceinte de traitement dans le cadre d’un exemple de procédé selon l’invention. La est une vue en coupe représentant, de manière schématique, la structure de la fibre traitée revêtue par l’interphase de nitrure de bore. La représente, de manière schématique, un exemple d’installation de traitement utilisable pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. La est une vue en coupe représentant, de manière schématique, la structure d’une fibre de carbure de silicium ayant initialement une couche superficielle. La est une vue en coupe représentant, de manière schématique, la structure de la fibre de carbure de silicium de la après élimination de la couche superficielle et avant dépôt de l’interphase de nitrure de bore. Procédé de revêtement d’au moins une fibre (11) par une interphase (24) de nitrure de bore, comprenant le traitement de ladite au moins une fibre par un milieu de traitement (22) comprenant du borazane et ayant une température supérieure ou égale à 100°C et une pression supérieure ou égale à 1 bar. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le milieu traitement (22) comprend du borazane dissous dans de l’ammoniac. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température du milieu de traitement (22) est supérieure ou égale à 600°C, et la pression du milieu de traitement est supérieure ou égale à 10 bar. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la température du milieu de traitement est comprise entre 800°C et 1600°C, et la pression du milieu de traitement est comprise entre 100 bar et 150 bar. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moins une fibre (11) est chauffée par micro-ondes durant le traitement. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite au moins une fibre (11) circule au travers d’une enceinte (10) de traitement durant le traitement. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite au moins une fibre (11) est en céramique ou en carbone. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le traitement est réalisé dans une enceinte de traitement (10) et ladite au moins une fibre (11) est en carbure de silicium, et dans lequel ladite au moins une fibre a subi, avant le traitement, un pré-traitement d’élimination d’une couche superficielle (12) de la fibre, dans l’enceinte de traitement, par mise en contact avec une phase d’ammoniac à une température supérieure ou égale à 100°C et à une pression supérieure ou égale à 1 bar. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la température de la phase d’ammoniac est comprise entre 600°C et 1600°C, et la pression de la phase d’ammoniac est comprise entre 1 bar et 300 bar. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, comprenant au moins la formation d’une matrice dans la porosité d’un renfort fibreux, les fibres (11) du renfort fibreux ayant été revêtues d’une interphase (24) de nitrure de bore par mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.