Brevet FR3133861A1 — publié le 20230929

Particule cœur-écorce à fonction duale anti-corrosion et anti-CMAS L’invention concerne une particule (1) cœur-écorce destinée à la formation d’une barrière environnementale, comprenant un cœur (3) en un matériau de protection contre la corrosion comprenant un disilicate d’au moins une terre rare, et une écorce en un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium entourant le cœur et définissant au moins une région (5) de surface qui comprend un monosilicate de ladite au moins une terre rare ou un oxyde de ladite au moins une terre rare. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Particule cœur-écorce à fonction duale anti-corrosion et anti-CMAS L’invention concerne la protection de substrat par une barrière environnementale, et notamment des particules assurant une fonction duale de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium (CMAS) et contre la corrosion pour la fabrication d’une telle barrière environnementale. L’invention trouve une application particulière pour la protection de pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC) formant des parties chaudes de turbines à gaz, telles que des parois de chambre de combustion, ou des anneaux de turbine, des distributeurs de turbine ou des aubes de turbines, pour des moteurs aéronautiques ou des turbines industrielles. L’amélioration du rendement des turbines à gaz et la réduction des émissions polluantes conduit à envisager des températures toujours plus élevées dans les chambres de combustion. Il peut être envisagé de remplacer les matériaux métalliques par des matériaux CMC. En effet, les matériaux CMC sont connus pour posséder à la fois de bonnes propriétés mécaniques permettant leur utilisation pour des éléments de structure et la capacité de conserver ces propriétés à des températures élevées. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les matériaux CMC nécessitent moins de refroidissement. Ce refroidissement étant traditionnellement issu d’un prélèvement dans le compresseur qui impacte le rendement de la turbomachine, les matériaux CMC permettent donc d’améliorer le rendement moteur ce qui réduit la consommation de carburant. Par ailleurs, leur utilisation contribue à optimiser les performances des turbomachines notamment par la baisse de la masse globale de la turbomachine qui contribue encore à une diminution de la consommation carburant et donc à la réduction significative des émissions polluantes. Les matériaux CMC comportent un renfort fibreux en fibres réfractaires, typiquement en carbone ou en céramique, qui est densifié par une matrice céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC). Dans les conditions de fonctionnement des turbines aéronautiques, c’est-à-dire à haute température sous atmosphère oxydante et humide, les matériaux CMC sont sensibles au phénomène de corrosion. La corrosion du CMC résulte de l’oxydation du SiC en silice qui, en présence de vapeur d’eau, se volatilise sous forme d’hydroxydes de silicium Si(OH) 4 . Les phénomènes de corrosion entraînent une récession du CMC et affectent la durée de vie de ce dernier. Afin de limiter cette dégradation en fonctionnement, il a été envisagé de former à la surface des matériaux CMC des barrières environnementales. Ces barrières peuvent comporter une couche de liaison en silicium ainsi qu’une couche de silicate de terre rare positionnée sur la couche de liaison. La couche de liaison 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. La couche de silicate de terre rare apporte une protection contre la corrosion en limitant la diffusion de la vapeur d’eau vers la couche de silice formée par oxydation du silicium et par conséquent de limiter la récession de celle-ci. Pour améliorer la protection on peut disposer une deuxième couche de protection contre les CMAS à base d’un monosilicate de terre rare sur la couche de disilicate de terre rare. Différentes méthodes peuvent être employées pour former ces barrières environnementales. On peut en particulier utiliser une technique de dépôt par électrophorèse qui présente l’avantage d’être bien adaptée au dépôt sur des formes complexes. En revanche cette technique présente l’inconvénient d’être limitée en termes d’épaisseur obtenue pour le revêtement du fait d’une diminution de la conductivité électrique au fur et à mesure du dépôt de la barrière. Ce phénomène peut être limitant pour les barrières environnementales multicouches précitées. Il est donc souhaitable de fournir une solution qui s’affranchisse de cet inconvénient. L’invention concerne une particule cœur-écorce (« core-shell » ou encore cœur-coquille) destinée à la formation d’une barrière environnementale, comprenant un cœur en un matériau de protection contre la corrosion comprenant un disilicate d’au moins une terre rare, et une écorce en un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium entourant le cœur et définissant au moins une région de surface qui comprend un monosilicate de ladite au moins une terre rare ou un oxyde de ladite au moins une terre rare. L’invention repose sur l’emploi de particules cœur-écorce fonctionnalisées dont l’écorce apporte une protection contre les CMAS et le cœur une protection contre la corrosion. Ces particules sont destinées à former une barrière environnementale à fonction duale, s’affranchissant de la limitation rencontrée pour le dépôt de barrières multicouches par électrophorèse en permettant la formation d’une barrière environnementale monocouche ayant l’efficacité souhaitée. En outre, l’invention permet d’éviter la présence d’une interface entre couches distinctes, qui peut source de faiblesses mécaniques en fonctionnement, et donc d’améliorer la protection conférée. Dans un exemple de réalisation, la particule présente un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 7 * 10 -6 K -1 . Une telle caractéristique permet avantageusement d’obtenir une compatibilité thermomécanique optimale de la barrière environnementale avec un substrat à matrice de carbure de silicium. Néanmoins et comme il sera indiqué plus bas l’invention n’est pas limitée à la protection de ce type de substrat, l’invention pouvant également concerner la protection de pièces en superalliage. Sauf mention contraire, le coefficient de dilatation thermique de la particule est égal à la moyenne des coefficients de dilatation thermique de chacun des matériaux constituant la particule en pondérant la contribution de chacun par leur fraction volumique. En d’autres termes, le coefficient de dilatation thermique de la particule, noté CDT(P), est obtenu par la formule suivante : formule dans laquelle CDT(Mi) désigne le coefficient de dilatation thermique du matériau i présent dans la particule, et xi sa fraction volumique dans la particule. Sauf mention contraire, les coefficients de dilatation thermique des matériaux sont pris à 1300°C. Ces coefficients correspondent à des valeurs tabulées. Comme il sera décrit plus bas, selon les conditions mises en œuvre durant la fabrication de la particule, celle-ci peut être bi-matière ou formée de plus de deux matériaux. Dans un exemple de réalisation, la région de surface comprend l’oxyde de ladite au moins une terre rare et l’écorce définit en outre une région intermédiaire située entre la région de surface et le cœur et comprenant un monosilicate de ladite au moins une terre rare. Une telle structure correspond à une composition mixte oxyde et monosilicate autour du cœur mais on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque la particule est dépourvue de région intermédiaire, comme il sera décrit dans la suite. Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une terre rare est choisie parmi : le lutécium, l’ytterbium, l’yttrium ou une combinaison de ces éléments. Dans un exemple de réalisation, la particule a une taille inférieure ou égale à 5 µm, notamment inférieure ou égale à 1 µm. De telles tailles de particules permettent avantageusement de favoriser la formation de la barrière environnementale. L’invention vise également un procédé de protection d’un substrat, comprenant la formation d’une barrière environnementale sur le substrat à partir d’une pluralité de particules cœur-écorce telles que décrites plus haut. Dans un exemple de réalisation, la formation de la barrière environnementale comprend le dépôt des particules sur le substrat par voie liquide, et le frittage des particules ainsi déposées. Une telle caractéristique est particulièrement adaptée à la formation d’une barrière environnementale de fine épaisseur, recherchée notamment pour des zones où le caractère aérodynamique doit être préservé. En particulier, le dépôt des particules peut être réalisé par électrophorèse. Une telle méthode est particulièrement adaptée à la réalisation d’un dépôt de forme complexe. Selon une variante, la formation de la barrière environnementale comprend la projection thermique des particules, éventuellement suivie d’un traitement thermique de cristallisation. Cette méthode peut être privilégiée pour la fabrication de barrières environnementales relativement épaisses, d’épaisseur typiquement supérieure à 100 µm. Dans un exemple de réalisation, le substrat est un matériau composite à matrice de carbure de silicium. En variante, le substrat est un superalliage, par exemple superalliage de nickel ou de cobalt. Dans un exemple de réalisation, le substrat est une pièce de turbomachine. Le substrat peut par exemple être une aube de turbine. Dans ce cas, la barrière environnementale peut être formée au moins sur le bord d’attaque et/ou le bord de fuite avec une épaisseur d’au plus 100 µm afin de ne pas perturber les propriétés aérodynamiques. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une particule telle que décrite plus haut, comprenant une corrosion d’un grain du matériau de protection contre la corrosion. La corrosion peut être réalisée en lit fluidisé. La représente, de manière schématique et partielle, un exemple de particule selon l’invention. La représente une variante de particule selon l’invention. Les figures 3A-3B représentent, de manière schématique et partielle, un exemple de formation d’une barrière environnementale sur un substrat dans le cadre de l’invention. Particule (1 ; 10) cœur-écorce destinée à la formation d’une barrière environnementale (20), comprenant un cœur (3) en un matériau de protection contre la corrosion comprenant un disilicate d’au moins une terre rare, et une écorce en un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium entourant le cœur et définissant au moins une région (5) de surface qui comprend un monosilicate de ladite au moins une terre rare ou un oxyde de ladite au moins une terre rare. Particule (1 ; 10) selon la revendication 1, dans laquelle la particule présente un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 7 * 10 -6 K -1 . Particule (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la région (5) de surface comprend l’oxyde de ladite au moins une terre rare et l’écorce définit en outre une région (7) intermédiaire située entre la région de surface et le cœur (3) et comprenant un monosilicate de ladite au moins une terre rare. Particule (1 ; 10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle ladite au moins une terre rare est choisie parmi : le lutécium, l’ytterbium, l’yttrium ou une combinaison de ces éléments. Particule (1 ; 10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la particule a une taille ( t ) inférieure ou égale à 5 µm. Procédé de protection d’un substrat (11), comprenant la formation d’une barrière environnementale (20) sur le substrat à partir d’une pluralité de particules (1 ; 10) cœur-écorce selon l’une quelconque des revendications 1 à 5. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la formation de la barrière environnementale (20) comprend le dépôt des particules (1 ; 10) sur le substrat (11) par voie liquide, et le frittage des particules ainsi déposées. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le dépôt des particules (1 ; 10) est réalisé par électrophorèse. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la formation de la barrière environnementale (20) comprend la projection thermique des particules (1 ; 10). Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel le substrat (11) est un matériau composite à matrice de carbure de silicium. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel le substrat (11) est un superalliage. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel le substrat (11) est une pièce de turbomachine.