Brevet FR3133853A1 — publié le 20230929

Pièce en matériau CMC à barrière environnementale pré-fissurée pour l’accommodation thermomécanique La présente invention concerne une pièce (1) revêtue destinée à être montée dans une turbomachine, comprenant : - un substrat (3) en matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, et - une barrière environnementale (12) sur le substrat et comprenant : (i) une couche (5) d’accrochage comprenant du silicium présente sur une surface du substrat, et (ii) une couche (7) de barrière environnementale recouvrant la couche d’accrochage, ladite couche de barrière environnementale comprenant une région interne (73) de barrière aux espèces oxydantes et corrosives non fissurée et située du côté de la couche d’accrochage, et une région externe (71), opposée à la couche d’accrochage et recouvrant la région interne, présentant un réseau de fissures (75) d’adaptation thermomécanique ayant une distance (d) entre fissures adjacentes comprise entre 10 µm et 50 µm et dont les fissures s’étendent sur une profondeur (p75) comprise entre 50% et 95% d’une épaisseur (e7) de ladite couche de barrière environnementale. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Pièce en matériau CMC à barrière environnementale pré-fissurée pour l’accommodation thermomécanique Un domaine particulier d'application de l'invention est la protection de matériaux composites à matrice au moins partiellement en céramique (« matériaux 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 et la réduction des émissions polluantes conduit à envisager des températures toujours plus élevées dans turbines à gaz. Il a donc été proposé de remplacer les matériaux métalliques par des matériaux CMC, notamment pour des parois de chambres de combustion ou anneaux de turbine. 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 peuvent comporter 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. 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 carbure de silicium en silice qui, en présence de vapeur de 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 (« Environmental Barrier Coating » ; « EBC »). Les barrières environnementales 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 permet, quant à elle, de limiter 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. Il reste néanmoins souhaitable d’améliorer encore la protection des matériaux CMC en milieu oxydant et corrosif à haute température, notamment supérieure ou égale à 800°C. L’invention concerne une pièce revêtue destinée à être montée dans une turbomachine, comprenant : - un substrat en matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, et - une barrière environnementale sur le substrat et comprenant : (i) une couche d’accrochage comprenant du silicium présente sur une surface du substrat, et (ii) une couche de barrière environnementale recouvrant la couche d’accrochage, ladite couche de barrière environnementale comprenant une région interne de barrière aux espèces oxydantes et corrosives non fissurée et située du côté de la couche d’accrochage, et une région externe, opposée à la couche d’accrochage et recouvrant la région interne, présentant un réseau de fissures d’adaptation thermomécanique ayant une distance entre fissures adjacentes comprise entre 10 µm et 50 µm et dont les fissures s’étendent sur une profondeur comprise entre 50% et 95% d’une épaisseur de ladite couche de barrière environnementale. Les inventeurs ont constaté que les barrières environnementales de l’art antérieur peuvent présenter une fissuration non contrôlée lors du fonctionnement qui s’explique par le fait que la barrière est initialement, dès sa fabrication, en compression. Cette contrainte de compression relaxe par fluage lors de la soumission aux hautes températures rencontrées en fonctionnement, ce qui aboutit ensuite à une fissuration lors du refroidissement du fait d’un retour vers un champ de traction. Cette fissuration peut atteindre la couche d’accrochage, ce qui conduit à une croissance non maîtrisée de la couche de silice protectrice qui peut aboutir à un écaillage de la barrière environnementale par accroissement de contraintes localisées à l’interface de la couche d’accrochage avec la couche de barrière environnementale. De manière remarquable, les inventeurs ont constaté que l’emploi d’une barrière environnementale, pré-fissurée de manière contrôlée avant sa première utilisation avec une distance maîtrisée entre fissures adjacentes et une profondeur contrôlée de fissuration, permet d’accommoder favorablement les contraintes thermomécaniques en fonctionnement. Le réseau de fissures d’adaptation thermomécanique permet d’éviter une fissuration non maîtrisée de la barrière par dissipation d’énergie via le réseau de fissures préexistant, tout en conservant une région interne non fissurée conférant l’étanchéité souhaitée aux espèces oxydantes et corrosives afin de maîtriser la croissance de la couche de silice protectrice et éviter l’écaillage. Dans un exemple de réalisation, la distance entre fissures adjacentes du réseau de fissures d’adaptation thermomécanique est comprise entre 15 µm et 30 µm. Une telle caractéristique participe à améliorer davantage encore l’accommodation des contraintes thermomécaniques en fonctionnement. Dans un exemple de réalisation, les fissures du réseau de fissures d’adaptation thermomécanique s’étendent sur une profondeur comprise entre 75% et 90% de l’épaisseur de ladite couche de barrière environnementale. Une telle caractéristique participe à améliorer davantage encore l’accommodation des contraintes thermomécaniques en fonctionnement, tout en conférant une étanchéité aux espèces oxydantes et corrosives optimales, assurée par la région interne. Dans un exemple de réalisation, la couche de barrière environnementale comprend un silicate d’au moins une terre rare, en particulier la couche de barrière environnementale peut comprendre un disilicate d’yttrium, un disilicate d’ytterbium, ou un mélange de ces deux composés. Selon une variante, la couche de barrière environnementale comprend de la mullite. Dans un exemple de réalisation, la pièce comprend en outre un revêtement supplémentaire située sur la région externe de la couche de barrière environnementale, ledit revêtement supplémentaire étant une barrière thermique d’épaisseur supérieure ou égale à 100 µm, ou une couche de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium d’épaisseur supérieure ou égale à 50 µm. Une telle caractéristique permet avantageusement de fonctionnaliser davantage le revêtement protecteur et améliorer ainsi la protection conférée. La représente, de manière schématique et partielle, un exemple de pièce revêtue selon l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, un dépôt précurseur de la couche de barrière environnementale de la pièce de la . La représente, de manière schématique et partielle, l’effet d’un traitement thermique de fissuration sur le dépôt précurseur de la . La est un cliché d’un exemple de couche de barrière environnementale utilisable dans le cadre de l’invention obtenue après traitement de fissuration d’un dépôt précurseur. Pièce (1) revêtue destinée à être montée dans une turbomachine, comprenant : - un substrat (3) en matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, et - une barrière environnementale (12) sur le substrat et comprenant : (i) une couche (5) d’accrochage comprenant du silicium présente sur une surface du substrat, et (ii) une couche (7) de barrière environnementale recouvrant la couche d’accrochage, ladite couche de barrière environnementale comprenant une région interne (73) de barrière aux espèces oxydantes et corrosives non fissurée et située du côté de la couche d’accrochage, et une région externe (71), opposée à la couche d’accrochage et recouvrant la région interne, présentant un réseau de fissures (75) d’adaptation thermomécanique ayant une distance (d) entre fissures adjacentes comprise entre 10 µm et 50 µm et dont les fissures s’étendent sur une profondeur (p75) comprise entre 50% et 95% d’une épaisseur (e7) de ladite couche de barrière environnementale. Pièce (1) selon la revendication 1, dans laquelle la distance ( d ) entre fissures (75) adjacentes du réseau de fissures d’adaptation thermomécanique est comprise entre 15 µm et 30 µm. Pièce (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les fissures (75) du réseau de fissures d’adaptation thermomécanique s’étendent sur une profondeur (p75) comprise entre 75% et 90% de l’épaisseur (e7) de ladite couche de barrière environnementale. Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche (7) de barrière environnementale comprend un silicate d’au moins une terre rare. Pièce (1) selon la revendication 4, dans laquelle la couche (7) de barrière environnementale comprend un disilicate d’yttrium, un disilicate d’ytterbium, ou un mélange de ces deux composés. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la pièce comprend en outre un revêtement supplémentaire située sur la région externe de la couche de barrière environnementale, ledit revêtement supplémentaire étant une barrière thermique d’épaisseur supérieure ou égale à 100 µm, ou une couche de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium d’épaisseur supérieure ou égale à 50 µm.