Brevet FR3125037A1 — publié le 20230113

Barrière environnementale pour un substrat comprenant du silicium libre. L’invention concerne une pièce comprenant un substrat (11) en matériau composite à matrice céramique, le substrat comprenant du silicium, la pièce comprenant en outre une barrière environnementale (12) formée sur au moins une surface (S) du substrat, la pièce étant caractérisée en ce que la barrière environnementale comprend au moins un composé choisi parmi Yb 2-2γ Gd 2γ SiO 5 et Yb 2-2γ Gd 2γ Si 2 O 7 , où γ est compris entre 0,05 et 0,15, et en ce que la barrière environnementale comprend en outre de l’alumine Al 2 O 3 , la teneur molaire en alumine étant comprise entre 5 et 15 % par rapport à la composition totale de la barrière environnementale. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Barrière environnementale pour un substrat comprenant du silicium libre. L’invention concerne le domaine des matériaux composites à matrice céramique (CMC) et plus précisément celui des barrières environnementales pouvant être appliquées sur de tels matériaux. 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 RE 2 Si 2 O 7 ou RE 2 SiO 5 , par exemple Y 2 Si 2 O 7 ). Ces barrières environnementales sont très généralement obtenues par projection thermique de poudre, ou par voie liquide, généralement suivie d’un traitement thermique de frittage/densification. Si les barrières environnementales ainsi obtenues offrent de nombreux avantages, il reste néanmoins des situations dans lesquelles elles sont difficilement utilisables. Par exemple, dans le cas où une étanchéité très grande de la barrière est souhaitée, il est généralement recommandé d’augmenter la température de frittage. Malheureusement, une telle augmentation de la température de frittage n’est pas compatible de substrats comprenant du silicium libre car de tels substrats se décomposent thermiquement lorsque la température devient supérieure à 1400°C. La méthode alors classiquement envisagée pour diminuer la température de frittage, et permettre d’augmenter l’étanchéité de la barrière environnementale sans détériorer le substrat, est d’ajouter à la barrière environnementale un agent de frittage, par exemple MgO ou Fe 2 O 3 . Néanmoins, ces agents de frittage ne sont pas compatibles des barrières possédant des capacités d’auto-cicatrisation, qui sont particulièrement souhaitables pour certaines applications. En effet, les composés MgO et Fe 2 O 3 pourrait modifier la stabilité de la phase liquide d’une barrière environnementale auto-cicatrisante. De plus, leur rôle d’aide au frittage est diminué si la porosité de la barrière environnementale est diminuée ce qui est généralement le cas, quand une très grande étanchéité de la barrière environnementale est souhaitée. Lorsque des capacités d’auto-cicatrisation sont souhaitées pour des barrières environnementales, il est proposé d’utiliser de l’alumine Al 2 O 3 comme agent de frittage. Malheureusement, cette solution n’est pas applicable pour des barrières environnementales comprenant du silicate d’ytterbium Yb 2 Si 2 O 7 , car la température de formation d’une phase liquide pour des compositions d’alumine et de silicate d’ytterbium reste supérieure aux températures admissibles pour des substrats comprenant du silicium libre. Or, pour certaines applications, les barrières environnementales utilisant du silicate d’ytterbium (Yb 2 SiO 5 et/ou Yb 2 Si 2 O 7 ), plutôt que du silicate d’yttrium (Y 2 SiO 5 et/ou Y 2 Si 2 O 7 ) par exemple, car il est démontré que de telles barrières présentent une meilleure résistance à la récession et une moindre diffusion ionique. Ainsi donc, il demeure un besoin pour une barrière environnementale comprenant du silicate d’ytterbium (Yb 2 SiO 5 et/ou Yb 2 Si 2 O 7 ) et présentant à la fois une très grande densité et des capacités d’auto-cicatrisation pouvant être appliquées pour des substrats comprenant du silicium libre. L’invention vise précisément à répondre au besoin décrit ci-dessus. Elle concerne une pièce comprenant un substrat en matériau composite à matrice céramique, le substrat comprenant du silicium, la pièce comprenant en outre une barrière environnementale formée sur au moins une surface du substrat, la pièce étant caractérisée en ce que la barrière environnementale comprend au moins un composé choisi parmi Yb 2-2γ Gd 2γ SiO 5 , Yb 2-2γ Gd 2γ Si 2 O 7 , où γ est compris entre 0,05 et 0,15, et en ce que la barrière environnementale comprend en outre de l’alumine Al 2 O 3 , la teneur molaire en alumine étant comprise entre 5 et 15 % par rapport à la composition totale de la barrière environnementale. Une telle pièce permet une excellente résistance à l’oxydation grâce à la présence du silicate d’ytterbium tout en permettant l’utilisation d’un substrat ayant du silicium libre. La substitution d’une partie de l’ytterbium par du gadolinium dans la barrière environnementale conjointement à la présence de l’alumine permet à la barrière environnementale d’avoir une part de phase liquide lorsqu’elle est portée à une température supérieure à 1300°C. La présence de cette phase liquide permet, au moment de la formation de la barrière environnementale par traitement thermique, d’atteindre une densification très importante, grâce à la phase liquide qui favorise le réarrangement granulaire. La grande densité de la barrière environnementale lui confère une excellente imperméabilité aux espèces oxydantes et corrosives, et permet une bonne protection du substrat. De plus, lors de son utilisation, la présence de la phase liquide dans la barrière environnementale lui permet, si la température est supérieure à 1300°C, de réparer des endommagements de fissuration et d’assurer la relaxation des contraintes thermomécaniques qui apparaissent dans le domaine d’utilisation. Ces propriétés d’auto-cicatrisation de la barrière environnementale dans le domaine de fonctionnement permettent d’éviter la formation de fissure, et assurent donc une meilleure longévité à la pièce revêtue. Dans un mode de réalisation, la pièce comprend en outre une couche d’accroche comprenant du silicium présente entre la surface du substrat et la barrière environnementale. La couche d’accroche permet, d’une part d’améliorer l’accroche de la couche de silicate de terre rare et, d’autre part de former une couche de silice protectrice, dont la faible perméabilité à l’oxygène participe à la protection du CMC contre l’oxydation. Dans un mode de réalisation, le substrat est une pièce en matériau composite dont la matrice comprend du carbure de silicium, voire un matériau composite dont le renfort fibreux et la matrice comprennent du carbure de silicium. Dans un mode de réalisation, la barrière environnementale peut comprendre conjointement les composés Yb 2-2γ Gd 2γ SiO 5 , Yb 2-2γ Gd 2γ Si 2 O 7 , où γ est compris entre 0,05 et 0,15. La barrière environnementale comprend alors un monosilicate de terre rare et un disilicate de terre rare, ladite terre rare étant de l’ytterbium en partie substituée par du gadolinium. Dans ce mode de réalisation, la composition de la barrière environnementale est choisie dans un domaine du diagramme ternaire Yb 2 O 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 entre le monosilicate d’ytterbium, le disilicate d’ytterbium et les grenats d’ytterbium-aluminium, étant entendu qu’une partie de l’ytterbium est substituée par du gadolinium. Le choix de la composition précise de la barrière environnementale dans ce domaine du diagramme ternaire, et notamment la teneur en alumine ainsi que le taux de substitution du gadolinium à la place de l’ytterbium permet de choisir précisément la quantité de phase liquide présente dans la barrière environnementale, ce qui confère à la barrière les propriétés d’auto-cicatrisation souhaitées. Dans un autre mode de réalisation, la barrière environnementale ne comprend qu’un des composés choisi parmi Yb 2-2γ Gd 2γ SiO 5 , Yb 2-2γ Gd 2γ Si 2 O 7 , où γ est compris entre 0,05 et 0,15. Dans un mode de réalisation, les seules espèces de la couche de barrière environnementale comprenant une terre rare sont un disilicate d’ytterbium et un disilicate de gadolinium. Par exemple, la couche de barrière environnementale peut avoir une composition se situant, dans le diagramme ternaire Yb 2 O 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 , sur l’isoplèthe allant du disilicate d’ytterbium à la mullite, étant entendu qu’une partie de l’ytterbium est substituée par du gadolinium. Sans vouloir être liés par la théorie, les inventeurs sont d’avis que le taux de substitution du gadolinium à la place de l’ytterbium permet de choisir précisément la quantité de phase liquide présente dans la barrière environnementale, ce qui confère à la barrière les propriétés d’auto-cicatrisation souhaitées. Dans un mode de réalisation, la barrière environnementale présente un taux de densification supérieur ou égal à 98 %. Un tel taux peut avantageusement être atteint pour une barrière environnementale selon l’invention à des températures compatible d’un substrat comprenant du silicium libre. Un tel taux de densification permet une barrière plus imperméable aux gaz que les barrières environnementales de l’art antérieur, et améliore donc le caractère protecteur de la barrière environnementale. Dans un mode de réalisation, le substrat peut être une pièce de turbomachine aéronautique, par exemple une pièce de turbine haute pression ou une pièce de turbine basse pression. Par exemple, la pièce peut être un distributeur, une tuyère, une paroi de chambre de combustion, un secteur d’anneau de turbine, une aube de turbomachine ou encore une partie de l’une de ces pièces. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé pour protéger un substrat dont une partie adjacente à une surface est en un matériau comprenant du silicium, lors d’une utilisation à haute température en milieu oxydant et humide, par formation sur la surface du substrat d’une barrière environnementale, caractérisé en ce que l’on forme une barrière environnementale qui comprend au moins un composé choisi parmi Yb 2-2γ Gd 2γ SiO 5 , Yb 2-2γ Gd 2γ Si 2 O 7 où γ est compris entre 0,05 et 0,15, et de l’alumine (Al 2 O 3 ) en une teneur molaire comprise entre 5 et 15 % par rapport à la composition totale de la barrière environnementale, la barrière environnementale conservant une phase solide majoritaire jusqu’à au moins 1400°C et présentant une phase liquide à une température supérieure ou égale à 1300°C, de sorte que la quantité de phase liquide assure à la barrière une capacité d’auto-cicatrisation pour une température d’utilisation supérieure ou égale à 1300°C. Un tel procédé permet la protection d’un substrat comprenant du silicium au moyen d’une barrière environnementale auto-cicatrisante. En effet, la quantité de phase liquide permet d’assurer que la barrière environnementale soit capable de reboucher les fissures qui pourraient éventuellement apparaitre lors de l’utilisation de la pièce. De plus, le procédé de l’invention reste compatible d’un substrat comprenant du silicium car la barrière environnementale présente une phase liquide à une température inférieure à 1400°C. Dans un mode de réalisation, la formation de la barrière environnementale comprend une étape de frittage d’une poudre d’oxyde d’ytterbium (Yb 2 O 3 ), d’une poudre d’oxyde de gadolinium (Gd 2 O 3 ), d’une poudre d’alumine (Al 2 O 3 ) et d’une poudre de silice (SiO 2 ) à une température comprise entre 1300°C et 1400°C, la proportion des poudres étant choisies de sorte à obtenir une pièce telle que décrite ci-dessus. Le frittage permet d’obtenir une densification très élevée de la barrière environnementale. En effet, la phase liquide dans la barrière environnementale favorise le réarrangement granulaire ce qui permet d’augmenter la densification comparativement à des barrières environnementales ne comprenant pas cette phase liquide. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape d’obtention d’une couche d’accroche comprenant du silicium à la surface du substrat, antérieure à la formation de la barrière environnementale. La représente de manière très schématique un mode de réalisation de l’invention. La représente de manière schématique un diagramme ternaire Yb 2 O 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 . Pièce comprenant un substrat (11) en matériau composite à matrice céramique, le substrat comprenant du silicium, la pièce comprenant en outre une barrière environnementale (12) formée sur au moins une surface (S) du substrat, la pièce étant caractérisée en ce que la barrière environnementale comprend au moins un composé choisi parmi Yb 2 - 2 γ Gd 2 γ SiO 5 et Yb 2 - 2 γ Gd 2 γ Si 2 O 7 , où γ est compris entre 0,05 et 0,15, et en ce que la barrière environnementale comprend en outre de l’alumine Al 2 O 3 , la teneur molaire en alumine étant comprise entre 5 et 15 % par rapport à la composition totale de la barrière environnementale. Pièce selon la revendication 1, comprenant en outre une couche d’accroche comprenant du silicium présente entre la surface (S) du substrat (11) et la barrière environnementale (12). Pièce selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le substrat (11) est une pièce en matériau composite dont la matrice comprend du carbure de silicium. Pièce selon la revendication 1 à 3, dans laquelle la barrière environnementale (12) comprend conjointement les composés Yb 2-2γ Gd 2γ SiO 5 , Yb 2-2γ Gd 2γ Si 2 O 7 , où γ est compris entre 0,05 et 0,15. Pièce selon la revendication 1 à 3, dans laquelle la barrière environnementale (12) ne comprend qu’un des composés choisi parmi Yb 2 -2γ Gd 2 γ SiO 5 , Yb 2 -2γ Gd 2 γ Si 2 O 7 où γ est compris entre 0,05 et 0,15. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la barrière environnementale (12) présente un taux de densification supérieur ou égal à 98 %. Procédé pour protéger un substrat (11), dont une partie adjacente à une surface (S) est en un matériau comprenant du silicium, lors d’une utilisation à haute température en milieu oxydant et humide, par formation sur la surface du substrat d’une barrière environnementale (12), caractérisé en ce que l’on forme une barrière environnementale qui comprend au moins un composé choisi parmi Yb 2-2γ Gd 2γ SiO 5 , Yb 2-2γ Gd 2γ Si 2 O 7 où γ est compris entre 0,05 et 0,15, et de l’alumine (Al 2 O 3 ) en une teneur molaire comprise entre 5 et 15 % par rapport à la composition totale de la barrière environnementale. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la formation de la barrière environnementale (12) comprend une étape de frittage d’une poudre d’oxyde d’ytterbium (Yb 2 O 3 ), d’une poudre d’oxyde de gadolinium (Gd 2 O 3 ), d’une poudre d’alumine (Al 2 O 3 ) et d’une poudre de silice (SiO 2 ) à une température comprise entre 1300°C et 1400°C, la proportion des poudres étant choisies de sorte à obtenir une pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Procédé selon la revendication 7 ou 8, comprenant en outre une étape d’obtention d’une couche d’accroche comprenant du silicium à la surface (S) du substrat (11), antérieure à la formation de la barrière environnementale (12).