Brevet FR3152508A1 — publié le 20250307

Revêtement de marquage pour un substrat oxyde/oxyde L’invention concerne une pièce en matériau composite oxyde/oxyde caractérisée en ce qu’elle comprend sur au moins une partie d’une surface libre un revêtement de marquage comprenant : - un oxyde de liaison ; et - un agent de coloration comprenant un oxyde de terre rare. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Revêtement de marquage pour un substrat oxyde/oxyde Le présent exposé concerne une pièce en matériau composite oxyde/oxyde comprenant un revêtement de marquage et un procédé de marquage d’un substrat en matériau composite oxyde/oxyde. Les matériaux composites possèdent de bonnes propriétés thermostructurales, c'est-à-dire des propriétés mécaniques élevées qui les rendent aptes à constituer des pièces structurales et la capacité de conserver ces propriétés à hautes températures. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les matériaux composites nécessitent moins de refroidissement. Ce refroidissement étant traditionnellement issu d’un prélèvement d’air dans le compresseur qui impacte le rendement de la turbomachine, les matériaux composites permettent donc d’améliorer le rendement moteur ce qui réduit la consommation de carburant. En outre, l’utilisation des matériaux composites 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 composites comprennent une préforme fibreuse poreuse dont la porosité est remplie par une matrice. Les propriétés des matériaux composites dépendent de la nature de la matrice, de la composition de la préforme fibreuse mais aussi de la nature du tissage de la préforme. Les matériaux composites choisis pour les parties d’éjection de gaz chauds sont dits oxyde/oxyde, car la composition des fibres de la préforme et celle de la matrice comprennent un ou plusieurs oxydes, par exemple des fibres d’alumine et une matrice d’alumine. Les pièces peuvent être soumises à des exigences de qualités qui rendent nécessaire leur marquage. C’est en particulier le cas des pièces aéronautiques, pour lesquelles le marquage permet de noter l’historique d’une pièce, par exemple pour en repérer le fabriquant, la date de fabrication ou encore un numéro de lot. Ce marquage peut aussi être utile pour former un repère d’usure sur une pièce dont l’évolution déterminera la déformation réellement subie par la pièce par exemple. Habituellement, le marquage des pièces en matériaux composites peut être fait par gravure laser et/ou au moyen d’une encre. Toutefois, aucune des méthodes de marquage de l’art antérieur n’est complètement satisfaisante pour les pièces en matériau composite oxyde/oxyde. En effet, la gravure laser n’est pas facilement lisible du fait de la couleur blanche des pièces oxyde/oxyde, et la gravure laser pourrait également causer des dégradations locales qui ne sont pas nécessairement souhaitables. En outre, la température élevée d’utilisation de ces pièces et en particulier les cycles de température rend difficile la tenue des encres classiques si bien qu’un marquage n’est pas durable. Ainsi, il demeure un besoin spécifique pour satisfaire aux besoins d’identification, de suivi ou de marquage des pièces en matériaux composites oxyde/oxyde. L’invention vise précisément à répondre à ce besoin. Elle propose pour cela une pièce en matériau composite oxyde/oxyde caractérisée en ce qu’elle comprend sur au moins une partie d’une surface libre un revêtement de marquage comprenant : - un oxyde de liaison ; et - un agent de coloration comprenant un oxyde de terre rare. Ce mode de réalisation permet de disposer d’une solution de marquage pour des pièces en matériau composite oxyde/oxyde qui soit facilement lisible d’une part, et qui présente en outre une excellente adhérence, qu’il conserve en outre lors des cyclages en température. En particulier, l’oxyde de liaison assure une excellente tenue du revêtement de marquage malgré les conditions de température et d’humidité que pourra rencontrer le revêtement de marquage au cours de la vie de la pièce en matériau composite. En outre, le revêtement de marquage n’endommage aucunement la zone de la pièce revêtue, à la différence par exemple d’un marquage par gravure comme envisagé dans l’art antérieur. L’agent de coloration s’entend comme ayant une couleur différente de la pièce en matériau composite oxyde/oxyde. La « couleur différente » au sens de l’invention peut s’entendre dans le spectre de la lumière visible ou sous une stimulation infrarouge ou ultra-violette. De préférence, différence de couleur est appréciable par l’œil humain. Le revêtement de marquage a, grâce à l’oxyde de liaison une excellente compatibilité de la pièce en matériau composite oxyde/oxyde. L’agent de coloration du revêtement de marquage assure la fonction de marquage, en donnant au revêtement une couleur différente de la pièce en matériau composite. L’oxyde de liaison peut être choisi parmi n’importe quel oxyde, compatible avec le substrat et permettant une excellente accroche du revêtement au substrat. Dans un mode de réalisation, l’oxyde de liaison peut être choisi parmi l’oxyde d’aluminium Al 2 O 3 , l’oxyde de zirconium ZrO 2 ou l’oxyde de silicium SiO 2 . Le choix particulier de ces oxydes, permet d’assurer un coefficient d’expansion thermique pour le revêtement de marquage très proche de la pièce en matériau composite oxyde/oxyde. Cela assure une excellente tenue du revêtement de marquage lors de l’utilisation de la pièce et notamment lorsque le substrat est utilisé pour des applications à des températures élevées, par exemple supérieures à 500°C, voire comprises entre 500°C et 800°C. L’agent de coloration est choisi parmi les oxydes de terres rares. Les terres rares s’entendent dans la demande au sens habituel de la chimie comme les éléments comprenant l’yttrium, le scandium et tous les éléments de la famille des lanthanides. Dans un mode de réalisation, l’agent de coloration est choisi parmi de l’oxyde de praséodyme (Pr 6 O 11 ), de l’oxyde de terbium (Tb 4 O 7 ), de l’oxyde d’holmium (Ho 2 O 3 ), de l’oxyde de néodyme (Nd 2 O 3 ), de l’oxyde d’erbium (Er 2 O 3 ) ou de l’oxyde de thulium (Tm 2 O 3 ). Ces oxydes permettent tous une excellente coloration et peuvent être choisis selon les besoins du marquage. En particulier, l’oxyde de praséodyme (Pr 6 O 11 ) permet une coloration noire, l’oxyde de terbium (Tb 4 O 7 ) une coloration marron, l’oxyde d’holmium (Ho 2 O 3 ) une coloration rosée et des propriétés fluorescentes, l’oxyde de néodyme (Nd 2 O 3 ) une coloration bleue, l’oxyde d’erbium (Er 2 O 3 ) une coloration rose et l’oxyde de thulium (Tm 2 O 3 ) une coloration bleue. Dans un mode de réalisation, le revêtement de marquage comprend une teneur supérieure ou égale à 25 % en masse de l’oxyde de liaison par rapport au poids total du revêtement de marquage. Par exemple, le revêtement de marquage peut comprendre une teneur comprise entre 25 % et 85 % en masse, voire entre 25 % et 95 % en masse de l’oxyde de liaison par rapport au poids total du revêtement de marquage. Ces deux modes de réalisation permettent d’assurer d’une part une excellente tenue du revêtement de marquage et également une très bonne coloration du revêtement de marquage. Dans un mode de réalisation, le revêtement de marquage peut comprendre une teneur comprise entre 5,0 % et 35 % en masse de l’oxyde de terre rare par rapport au poids total du revêtement de marquage. Dans un mode de réalisation, le revêtement de marquage a une épaisseur inférieure ou égale à 500 µm, par exemple comprise entre 100 µm et 200 µm, voire entre 125 µm et 175 µm. Une telle épaisseur permet en effet d’assurer que le marquage n’affecte pas les propriétés mécaniques de la pièce. En particulier, une telle épaisseur est plus faible que les tolérances acceptables pour l’état de surface d’une pièce en matériau composite oxyde/oxyde, notamment pour des pièces aéronautiques. Dans un mode de réalisation, la pièce peut être choisie parmi une pièce d’arrière corps d’une turbomachine aéronautique, une chambre de combustion d’une turbomachine aéronautique, une tuyère de nacelle aéronautique, un secteur d’anneau de turbomachine aéronautique. De telles pièces comprennent en effet de manière classique des matériaux composites oxyde/oxyde, et peuvent être marquées grâce aux pièces de l’invention. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de formation d’un revêtement de marquage sur au moins une partie d’une surface d’un substrat en matériau composite oxyde/oxyde comprenant au moins : - une étape d’application d’une composition de marquage comprenant un solvant sur ledit substrat ; et - une étape d’élimination du solvant de la composition de marquage, le procédé étant caractérisé en ce que la composition de marquage comprend au moins : - un oxyde de liaison ; - un agent de coloration comprenant un oxyde de terre rare ; et - un solvant. Un tel procédé permet d’assurer un excellent dépôt du revêtement de marquage sur le substrat. En particulier, cela permet d’assurer un dépôt précis et de faible épaisseur au moyen d’une composition de marquage sous forme d’une suspension, qui peut être appliquée simplement. Dans un mode de réalisation, l’oxyde de liaison est présent dans la composition de marquage en une teneur massique comprise entre 10 % et 50 % par rapport au poids total de la composition de marquage. Il a en effet été constaté que ces teneurs permettent une accroche optimale du revêtement sur le substrat en matériau composite oxyde/oxyde. Dans un mode de réalisation, l’agent de coloration comprenant un oxyde de terre rare est présent dans la composition de marquage en une teneur massique comprise entre 3,0 % et 15 % par rapport au poids total de la composition de marquage. Ce mode de réalisation permet d’avoir une excellente coloration du revêtement de marquage. En particulier, la plage de valeurs permet d’avoir des revêtements plus ou moins foncés, tandis que le choix d’un oxyde de terre rare particulier permet de choisir la couleur du revêtement de marquage. Dans un mode de réalisation, l’étape d’application de la composition de marquage peut être réalisée par dépôt au pinceau ou par projection, par exemple au pistolet. Dans un mode de réalisation, l’étape d’application de la composition de marquage peut être précédée d’une étape de disposition d’un masque. Ce mode de réalisation permet de réaliser une inscription précise sur le substrat en matériau composite oxyde/oxyde. Dans un mode de réalisation, le masque peut être en plastique par exemple préparé par fabrication additive. Un tel masque peut avoir une forme d’inscription alphanumérique, ou encore la forme d’un QR-code. Dans un mode de réalisation, le solvant est de l’eau. Dans un mode de réalisation, l’étape d’élimination du solvant peut être une étape d’évaporation du solvant, par exemple réalisée à une température supérieure ou égale à 100°C, voire supérieure ou égale à 110°C. Une telle température permet en effet une très bonne élimination du solvant, en particulier quand le solvant est de l’eau. Alternativement, l’élimination du solvant peut être réalisée par exposition à l’air libre. Cela simplifie le procédé, car il n’est pas nécessaire de réaliser d’étape active de séchage pour évacuer le solvant. Dans un mode de réalisation, la composition de marquage comprend en outre un agent dispersant en une teneur massique inférieure ou égale à 2 %, par exemple comprise entre 0,1 % et 2,0 %. Ce mode de réalisation permet notamment d’assurer une excellente dispersion de l’agent de coloration dans la composition de marquage, c’est-à-dire qu’il évite les agglomérats de matière dans la solution. Par exemple, l’agent dispersant peut être de l’acide nitrique. Dans un mode de réalisation, l’étape d’élimination du solvant permet d’éliminer également l’agent dispersant. Dans un mode de réalisation la composition peut comprendre en outre un liant, par exemple de l’alcool polyvinylique (dit aussi PVA pour l’acronyme anglais polyvinylalcohol). S’il est présent, un tel liant peut être présent en une teneur comprise entre 0,1 % et 5,0 %. Un tel liant permet d’assurer la tenue mécanique de la composition de marquage. De préférence, le liant peut s’éliminer lors d’une étape de traitement thermique. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un aéronef équipé d’une pièce telle que décrite plus haut. FIG. 1 La FIG. 1 représente une première étape d’un procédé dans un mode de réalisation. FIG. 2 La FIG. 2 représente une deuxième étape d’un procédé dans un mode de réalisation. FIG. 3 La FIG. 3 représente une troisième étape d’un procédé dans un mode de réalisation. FIG. 4 La FIG. 4 représente des photographies de résultats obtenus dans les exemples. L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière. La FIG. 1 représente une première étape d’un procédé de formation d’un revêtement de marquage sur un substrat 10 en matériau composite oxyde/oxyde. Le matériau composite oxyde/oxyde d’un substrat 10 est un matériau connu en tant que tel. Par exemple, le renfort fibreux d’un tel matériau composite oxyde/oxyde peut comprendre des fibres choisies parmi des fibres d’alumine, des fibres de silice, des fibres de zircone, ou un mélange de deux ou plus des composés ci-dessus. Par exemple, la matrice d’un tel matériau composite oxyde/oxyde peut comprendre de l’alumine, de la silice, de la mullite ou un mélange de plusieurs des composés ci-dessus. La première étape du procédé décrite sur la FIG. 1 comprend la disposition d’un masque 20 sur ledit substrat 10 en matériau composite oxyde/oxyde. Le masque 20 comprend des évidements 21 correspondant aux endroits où l’on souhaite former le revêtement. En d’autres termes, le masque 20 joue un rôle de pochoir pour le revêtement que l’on souhaite former. Dans un mode de réalisation le revêtement de marquage peut être directement au contact du substrat, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de couche intermédiaire entre le substrat en matériau composite oxyde/oxyde et le revêtement de marquage. Dans l’exemple représenté, les évidements 21 du masque 20 représentent des caractères alpha-numériques. On pourrait toutefois imaginer que les évidements 21 forment des formes caractéristiques ou encore un code-barre ou un QR-code par exemple. La FIG. 2 représente schématique une étape d’application de la composition de marquage comprenant au moins un solvant, un oxyde de liaison et un agent de coloration sur le substrat 10. Dans le mode de réalisation représenté, la composition est appliquée par projection. Par exemple, la composition de marquage peut être disposée dans un conteneur 40 mis sous pression et disposant d’une buse de sortie permettant de former une dispersion 41 de la composition de marquage. D’autres modes d’application de la composition sont envisageables par exemple le pinceau ou par d’autres méthodes de projection, par exemple au pistolet. La dispersion 41 de la composition de marquage est indifféremment appliquée sur la marque 20 et ses évidements 21. Néanmoins la présence du masque 20 empêche la dispersion 41 de la composition de marquage d’atteindre le substrat 10, et la composition n’est donc déposée que sur la surface du substrat 10 en regard des évidements 21 du masque 20. Après le retrait du masque et comme représenté en FIG. 3 , la composition de marquage peut former un revêtement de marquage 11 qui ne marque le substrat que là où cela est souhaité, c’est-à-dire dans les évidements 21 du masque 20. Dans un mode de réalisation, le masque est retiré et la composition de marquage séchée de sorte que le solvant s’évapore de la composition de marquage pour former sur le substrat 10 le revêtement de marquage 11. Dans le revêtement de marquage 11 ainsi formé, l’oxyde de liaison assure l’excellente cohésion entre le substrat 10 et le revêtement de marquage 11 et l’agent de coloration permet d’assurer une coloration contrastante, non représentée avec la couleur blanche du substrat oxyde/oxyde. De manière alternative, le séchage de la composition de marquage peut être réalisé avant que le masque 20 ne soit retiré du substrat 10. Dans un mode de réalisation, l’oxyde de liaison est un oxyde d’aluminium, par exemple de l’alumine (Al 2 O 3 ). Par exemple un tel oxyde de liaison peut être un adhésif céramique à base d’alumine connu en tant que tel, par exemple parmi les composés commerciaux de la marque Resbond ® commercialisée par la société Cotronics et notamment les produits Resbond ® 901, Resbond ® 903 vert, Resbond ® 903 HP, Resbond ® 908, Resbond ® 920, Resbond ® 989, Resbond ® 989F, Resbond ® 989FS et Resbond ® 940 HT. Ces adhésifs céramiques ont en effet l’avantage d’être disponibles commercialement, et de présenter une excellente compatibilité avec les substrats en matériau composite oxyde/oxyde. La FIG. 3 représente l’épaisseur e du revêtement de marquage mesurée dans la direction perpendiculaire à la surface du substrat 10 revêtu. Comme décrit cette épaisseur est de préférence inférieure ou égale à 500 µm. Une telle épaisseur permet en effet de marquer très distinctement le substrat 10, sans causer de variation trop importante de l’état de surface. L’invention est à présent décrite au moyen d’exemples qui ne sont présents qu’à des fins illustratives et ne doivent pas être interprétés limitativement de l’invention. Exemples Une première composition de marquage a été préparée et comprend en masse 236,2 grammes de l’adhésif Resbond 989FS soit 88,7% en teneur massique de la composition, 10 grammes d’une poudre d’oxyde de praséodyme (Pr 6 O 11 ) soit 3,8 % en teneur massique de la composition, et 20 grammes d’eau soit 7,5 % en teneur massique de la composition. Une deuxième composition de marquage a été préparée et comprend en masse 236,2 grammes de l’adhésif Resbond 989FS soit 82,5% en teneur massique de la composition, 30 grammes d’une poudre d’oxyde de praséodyme (Pr 6 O 11 ) soit 10,5% en teneur massique de la composition, et 20 grammes d’eau soit 7 % en teneur massique de la composition. Une troisième composition a été préparée et comprend 20 grammes d’une poudre d’oxyde de praséodyme (Pr 6 O 11 ) soit 6,3 % en teneur massique de la composition, 143 grammes d’eau soit 44,8 % en teneur massique de la composition, 9 grammes de PVA soit 2,8 % en teneur massique de la composition, 0,7 gramme d’acide nitrique soit 2 % en teneur massique de la composition, et 147 grammes d’alumine soit 45,9 % en teneur massique de la composition. Les compositions ont été appliquées par projection au pistolet sur un substrat en matériau composite oxyde/oxyde. La projection est réalisée à travers un masque en matière plastique obtenu par fabrication additive, le masque étant disposé sur le substrat. Le masque représente pour l’exemple des caractères alphanumériques. La composition de marquage est ensuite séchée à température ambiante. Il est observé que les motifs obtenus avec les trois compositions permettent une excellente lecture des caractères imprimés grâce au masque. La FIG. 4 montre une photographie des échantillons obtenus à gauche avec la première composition et à droite avec la deuxième composition. Il est également observé que la deuxième composition permet un marquage plus foncé que la première, comme cela est visible sur la FIG. 4 . Bien que non représenté dans les figures, il est en outre observé que la troisième composition permet un marquage noir du substrat tout aussi lisible que les deux représentés en FIG. 4 . L’état de surface du revêtement de marquage est contrôlé après séchage par une analyse profilométrique réalisée au moyen d’un microscope numérique. Il est constaté que l’épaisseur de la composition de marquage est en tout point inférieure à 150 µm. L’état de surface autour du revêtement de marquage est également observé au microscope numérique et il est constaté que ce dernier est parfaitement compatible des tolérances pratiquées pour une application aéronautique du substrat. Le revêtement de marquage est ensuite soumis à 100 cycles de chauffage et de refroidissement entre 100°C et 650°C. Il n’est constaté aucun signe de détérioration du revêtement de marquage et en particulier, il est observé que le marquage n’est pas affecté par les cycles de chauffage et de refroidissement. Pièce en matériau composite oxyde/oxyde caractérisée en ce qu’elle comprend sur au moins une partie d’une surface libre un revêtement de marquage comprenant : - un oxyde de liaison ; et - un agent de coloration comprenant un oxyde de terre rare. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle l’oxyde de liaison est choisi parmi l’oxyde d’aluminium (Al 2 O 3 ), l’oxyde de zirconium (ZrO 2 ) ou l’oxyde de silicium (SiO 2 ). Pièce selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle l’agent de coloration est choisi parmi de l’oxyde de praséodyme (Pr 6 O 11 ), de l’oxyde de terbium (Tb 4 O 7 ), de l’oxyde d’holmium (Ho 2 O 3 ), de l’oxyde de néodyme (Nd 2 O 3 ), de l’oxyde d’erbium (Er 2 O 3 ) ou de l’oxyde de thulium (Tm 2 O 3 ). Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le revêtement de marquage comprend une teneur supérieure ou égale à 25 % en masse de l’oxyde de liaison par rapport au poids total du revêtement de marquage. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le revêtement de marquage comprend une teneur comprise entre 5,0 % et 35 % en masse de l’agent de coloration par rapport au poids total du revêtement de marquage. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le revêtement de marquage a une épaisseur inférieure ou égale à 500 µm. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, est choisie parmi une pièce d’arrière corps d’une turbomachine aéronautique, une chambre de combustion d’une turbomachine aéronautique, une tuyère de nacelle aéronautique, un secteur d’anneau de turbomachine aéronautique. Procédé de formation d’un revêtement de marquage sur au moins une partie d’une surface d’un substrat en matériau composite oxyde/oxyde comprenant au moins : - une étape d’application d’une composition de marquage comprenant un solvant sur ledit substrat ; et - une étape d’élimination du solvant de la composition de marquage, le procédé étant caractérisé en ce que la composition de marquage comprend au moins : - un oxyde de liaison ; - un agent de coloration comprenant un oxyde de terre rare ; et - un solvant. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’oxyde de liaison est présent dans la composition de marquage en une teneur massique comprise entre 10 % et 50 % par rapport au poids total de la composition de marquage. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l’agent de coloration comprenant un oxyde de terre rare est présent dans la composition de marquage en une teneur massique comprise entre 3,0 % et 15 % par rapport au poids total de la composition de marquage. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel la composition de marquage comprend en outre un agent dispersant en une teneur massique comprise entre 0,1 % et 2,0 %. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la composition de marquage comprend en outre un liant en une teneur massique comprise entre 0,1 % et 5,0 %. Aéronef comprenant une pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.