Brevet FR3130685A1 — publié le 20230623

Matériaux CMC avec thermocouple intégré L’invention concerne une pièce (105) comprenant un substrat (10) en matériau composite à matrice céramique, ledit substrat étant revêtu d’un empilement multicouche comprenant au moins et dans cet ordre en partant du substrat : - une couche d’accroche (11) comprenant du silicium ; - une couche d’isolation (12) comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice; - une couche barrière (14) comprenant un disilicate de terre rare ; la pièce comprenant en outre au moins un thermocouple (13) interposé entre la couche d’isolation et la couche barrière. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Matériaux CMC avec thermocouple intégré L’invention concerne le domaine des matériaux composites à matrice céramique (CMC) et plus précisément celui des revêtements pouvant être appliquées sur de tels matériaux et l’étude du comportement thermique de pièces en CMC revêtues. Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures pour des turbines aéronautiques et ils 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. Il est usuel, pour de telles applications, de revêtir les pièces en matériaux composites à matrice céramique d’une couche barrière, pouvant jouer un rôle de barrière thermique et/ou de barrière environnementale. L’interface entre le substrat en CMC et la couche barrière est un lieu où peuvent s’initier des endommagements, notamment du fait de la différence de nature entre le substrat et la couche barrière. Ces endommagements peuvent avoir pour origine des différences de comportement thermique du substrat et de la barrière par exemple, et c’est pourquoi il est important de connaître précisément la température au niveau de l’interface entre le substrat et la couche barrière. Par exemple, la mesure de cette température au cours d’essais de caractérisation peut permettre d’identifier précisément la température à laquelle le substrat commence à se dégrader et de mieux comprendre les mécanismes d’endommagement. En outre, connaître précisément la température proche du substrat permet de quantifier le gradient thermique obtenu grâce à la couche barrière. Il est ainsi possible de quantifier la performance de la couche barrière. Il peut également être souhaité de mesurer la température lors du fonctionnement normal ou accidentel de pièce en matériau CMC afin déterminer précisément à quelle température elle est exposée et de pouvoir prédire ainsi son endommagement et celui de son revêtement. Pour mesurer précisément la température entre la couche barrière et le substrat, il est généralement proposé d’utiliser un thermocouple positionné proche de l’interface entre la barrière et le substrat. Par exemple, on retrouve dans l’état de l’art un thermocouple pouvant être positionné au-dessus d’une barrière thermique ou entre une barrière thermique et un substrat. Dans ce deuxième mode de réalisation, il est néanmoins nécessaire d’encapsuler le thermocouple dans une céramique électriquement isolante d’une composition différente de celle de la couche de barrière thermique pour éviter les interactions entre le thermocouple et les couches. Un tel mode de réalisation rend complexe l’étape de formation du thermocouple, et le procédé de formation de la couche barrière sur le substrat dans son ensemble, comparativement à une pièce de l’art antérieure. Il demeure donc un intérêt pour des pièces en CMC revêtues qui permettent une détermination précise de la température entre le substrat et une couche barrière, et qui seraient dénuées des désavantages des solutions proposées dans l’art antérieur, ainsi que des méthodes de préparation simplifiées de telles pièces. Pour répondre à ce besoin, l’invention propose une pièce comprenant un substrat en matériau composite à matrice céramique, ledit substrat étant revêtu d’un empilement multicouche comprenant au moins, et dans cet ordre en partant du substrat : - une couche d’accroche comprenant du silicium ; - une couche d’isolation comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice; - une couche barrière comprenant un disilicate de terre rare ; la pièce comprenant en outre au moins un thermocouple interposé entre la couche d’isolation et la couche barrière. Dans une telle pièce, la couche d’isolation permet d’éviter l’interaction entre le thermocouple et le silicium contenu dans la couche d’accroche. En effet, les métaux ou les alliages généralement utilisés pour les thermocouples mesurant les températures d’intérêt pour les pièces de turbomachines aéronautiques en matériau composite à matrice céramique revêtu ne sont pas compatibles de la présence de silicium, car ils comprennent généralement du platine qui peut diffuser dans le silicium et nuire à ses bonnes propriétés. Éviter tout contact entre le thermocouple et du silicium permet d’augmenter la durée de vie du thermocouple d’une part et de la couche d’accroche, donc du revêtement dans son ensemble. En outre, le thermocouple est ainsi très proche de la couche d’accroche de sorte que la température qu’il mesure est la plus représentative possible de la température effectivement ressentie entre le substrat et la couche barrière. De plus, une telle pièce est plus facilement produite qu’une pièce de l’art antérieure car il n’est pas nécessaire que le thermocouple soit encapsulé dans un matériau différent de celui de la couche barrière. Dans un mode de réalisation, la couche d’accroche a une épaisseur inférieure ou égale à 500 µm, voire comprise entre 50 et 150 µm. Dans une pièce de l’invention, la couche d’isolation est choisie avec une épaisseur suffisamment réduite pour permettre au thermocouple d’être au plus proche du substrat, tout en évitant le contact direct entre le thermocouple et la couche d’accroche. Par exemple, la couche d’isolation peut avoir une épaisseur inférieure ou égale à 100 µm, voire comprise entre 1,0 µm et 10 µm. Une couche telle que proposée ci-dessous est suffisamment épaisse pour assurer d’éviter tout risque de coupure électrique à cause de la rugosité du substrat. En effet, si la couche d’isolation est trop fine, en particulier inférieure à 1,0 µm, celle-ci reproduit la rugosité du substrat sous-jacent et si la rugosité est trop importante il y a un risque de discontinuité électrique du thermocouple, qui serait donc non fonctionnel. Dans un mode de réalisation, la couche d’isolation a la même composition que la couche barrière. Il en résulte une tenue optimale de la couche barrière sur la couche d’isolation. De plus, le procédé de fabrication est encore simplifié car il n’est pas nécessaire de changer la méthode de dépôt entre la couche d’isolation et la couche barrière. Dans un mode de réalisation, la couche barrière a une épaisseur comprise entre 10 µm et 2,0 mm. L’épaisseur de la couche barrière est choisie en fonction des propriétés souhaitées pour cette couche. Par exemple, si la pièce est un anneau de turbine, on peut souhaiter que la couche barrière joue un rôle d’isolation thermique en plus d’un rôle de barrière environnementale. Pour cela, il est préférable que la couche barrière ait une grande épaisseur, par exemple comprise entre 1,0 mm et 2,0 mm. Dans un autre mode de réalisation, par exemple si la pièce est une aube de turbomachine pour laquelle seule la fonction de barrière environnementale est souhaitée, l’épaisseur peut alors être comprise entre 10 µm et 200 µm. Dans un mode de réalisation, la pièce peut comprendre en outre, sur la couche barrière, une ou plusieurs couches choisies parmi une barrière thermique, une couche abradable et/ou une couche résistante aux polluants environnementaux tels que des composés comprenant du calcium, du magnésium, de l’aluminium ou du silicium notamment les oxydes de ces composés (appelés classiquement les CMAS). De tels modes de réalisation permettent d’adapter les pièces à des situations particulières pour des applications spécifiques rencontrées en différents endroits d’une turbomachine. Dans un mode de réalisation, la pièce est une pièce de turbomachine aéronautique choisie parmi : un anneau de turbine, une aube, une chambre de combustion, un distributeur haute pression ou un distributeur basse pression. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un pièce décrite ci-dessus, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : - la formation d’une couche d’accroche comprenant du silicium sur au moins une surface d’un substrat en matériau composite à matrice céramique ; puis - la formation d’une couche d’isolation comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice sur la couche d’accroche ; puis - la formation d’un thermocouple sur la couche d’isolation ; puis - la formation d’une couche barrière comprenant un disilicate de terre rare, sur la couche d’isolation et de sorte que le thermocouple soit interposé entre la couche d’isolation et la couche barrière; puis - une étape de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h . Ce procédé permet, à la différence des procédés de l’art antérieur d’obtenir une pièce dotée des avantages décrits ci-dessus. En particulier, le procédé est simplifié car il n’est pas nécessaire d’apporter un soin particulier à l’encapsulation du thermocouple puisque la couche d’isolation sépare ce dernier de la couche d’accroche. Ainsi, le thermocouple ne risque pas le contact avec la couche d’accroche sans toutefois nécessiter de traitement d’encapsulation particulier. Il en résulte une pièce plus simple à produire, et dont le thermocouple est formé directement entre le substrat et la couche barrière. Le traitement thermique, réalisé après les étapes de formation de la couche d’isolation et de la couche barrière, permet d’assurer une excellente tenue de la couche barrière. De plus, le thermocouple est directement en contact avec le bas de la couche barrière qui est l’endroit précis de la pièce où les phénomènes d’endommagement sont les plus susceptibles d’apparaître. Dans un mode de réalisation, lorsque la couche d’isolation comprend un disilicate de terre rare, la couche d’isolation peut être formée par un dépôt physique en phase vapeur, ou par projection thermique ou par dépôt en voie liquide puis frittage d’une ou plusieurs poudres. Dans un mode de réalisation, la formation du thermocouple peut comprendre une étape d’impression du thermocouple sur la couche d’isolation. Par exemple, cette étape d’impression du thermocouple sur la couche d’isolation peut être suivie d’une étape de frittage à haute température de l’encre déposée pour éliminer les composantes organiques de l’encre et fritter les particules métalliques de l’encre entre elles et former le circuit continu du thermocouple. Cette étape de frittage n’est toutefois pas nécessaire, et le thermocouple final peut également être obtenu par l’étape ultérieure de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h qui occasionnera le frittage des particules du thermocouple déposée, auquel cas l’étape de formation comprend seulement l’étape d’impression du thermocouple. Dans un mode de réalisation, l’étape d’impression du thermocouple est suivie d’une étape de séchage réalisée entre 60°C et 100°C. Une telle étape de séchage permet d’évacuer les solvants et de stabiliser immédiatement la structure du thermocouple imprimé, pour assurer que cette structure ne change pas jusqu’à l’étape ultérieure de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h qui permettra d’obtenir le frittage des particules de l’encre pour obtenir le thermocouple final. Dans un mode de réalisation, la formation du thermocouple comprend une étape de dépôt d’une encre conductrice par jet d’encre, par impression par jet d’aérosol, par sérigraphie ou par micro-extrusion. Dans un mode de réalisation, l’encre conductrice est une suspension comprenant un ou plusieurs solvants, un ou plusieurs liants organiques et des particules, les particules étant choisies parmi les nanoparticules ou les microparticules d’argent (Ag), d’un alliage de cuivre-nickel-manganèse (CuNiMn), de platine (Pt), d’un alliage de platine-rhodium (PtRh). Par nanoparticules, il est entendu des particules dont la plus grande dimension est inférieure ou égale à une centaine de nanomètres, voire une dizaine de nanomètres. Par microparticules, il est entendu des particules dont la plus grande dimension est inférieure ou égale à une centaine de micromètres, voire une dizaine de micromètres. Dans un mode de réalisation, l’étape de traitement thermique est réalisée à une température comprise entre 1100°C et 1150°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 10 h. Dans un mode de réalisation, une étape de polissage de la couche d’isolation peut être réalisée après la formation de la couche d’isolation et avant l’étape de formation du thermocouple. Une telle étape de polissage permet d’assurer une meilleure continuité électrique du thermocouple lors de l’étape ultérieure de formation. En effet, si la couche d’isolation est trop rugueuse, et puisque le thermocouple est formé sur cette dernière, la rugosité peut occasionner des discontinuités électriques sur le thermocouple qui nuisent à son bon fonctionnement. La représente schématiquement une pièce en différents instant de sa préparation. La illustre schématiquement un procédé de l’invention. Pièce (105) comprenant un substrat (10) en matériau composite à matrice céramique, ledit substrat étant revêtu d’un empilement multicouche comprenant au moins et dans cet ordre en partant du substrat : - une couche d’accroche (11) comprenant du silicium ; - une couche d’isolation (12) comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice; - une couche barrière (14) comprenant un disilicate de terre rare ; la pièce comprenant en outre au moins un thermocouple (13) interposé entre la couche d’isolation et la couche barrière. Pièce (105) selon la revendication 1, dans laquelle la couche d’isolation (12) a une épaisseur inférieure ou égale à 100 µm. Pièce (105) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la couche barrière (14) a une épaisseur comprise entre 10 µm et 2,0 mm. Pièce (105) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre, sur la couche barrière (14), une ou plusieurs couches choisies parmi une barrière thermique, une couche abradable et/ou une couche résistante aux CMAS. Pièce (105) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la pièce est une pièce de turbomachine aéronautique choisie parmi : un anneau de turbine, une aube, une chambre de combustion, un distributeur haute pression ou un distributeur basse pression. Procédé de fabrication d’une pièce (105) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : - la formation (E1) d’une couche d’accroche (11) comprenant du silicium sur au moins une surface d’un substrat en matériau composite à matrice céramique ; puis - la formation (E2) d’une couche d’isolation (12) comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice sur la couche d’accroche ; puis - la formation (E4) d’un thermocouple (13) sur la couche d’isolation ; puis - la formation (E6) d’une couche barrière (14) comprenant un disilicate de terre rare, sur la couche d’isolation et de sorte que le thermocouple soit interposé entre la couche d’isolation et la couche barrière; puis - une étape (E7) de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h . Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel la formation (E4) du thermocouple (13) comprend une étape de dépôt d’une encre conductrice par jet d’encre, par impression par jet d’aérosol, par sérigraphie, par micro-extrusion ou par dépôt laser. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel l’encre conductrice est une suspension comprenant un ou plusieurs solvants, un ou plusieurs liants organiques et des particules, les particules étant choisies parmi les nano-particules ou les microparticules d’argent (Ag), d’un alliage de cuivre-nickel-manganèse (CuNiMn), de platine (Pt), d’un alliage de platine-rhodium (PtRh). Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel la formation du thermocouple (E4) comprend une étape d’impression du thermocouple (13) sur la couche d’isolation (14) et une étape de frittage à haute température de l’encre déposée pour éliminer les composantes organiques de l’encre et fritter les particules métalliques de l’encre entre elles et former le circuit continu du thermocouple. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel l’étape de traitement thermique (E7) est réalisée à une température comprise entre 1100°C et 1150°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 10 h.