Brevet FR3151880A1 — publié le 20250207

Aube à léchettes revêtues. L’invention concerne une aube pour turbomachine aéronautique en matériau composite à matrice céramique comprenant une partie de pied d’aube (1), une partie principale d’aube (2) et une partie de tête d’aube (3), la partie de tête d’aube comprenant au moins une léchette (31), destinée à frotter contre un matériau abradable disposé en regard de ladite léchette, l'aube étant caractérisée en ce que la léchette comprend de l’intérieur vers l’extérieur au moins les couches suivantes : - un corps d’aube (311) en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche (312) comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale (313) ; - une couche de silicium (314) ; et - une couche de carbure de silicium (315). Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Aube à léchettes revêtues Le présent exposé concerne le domaine des aubes pour turbomachines aéronautique et plus précisément les revêtements permettant de conférer des propriétés particulières à de telles aubes. Les matériaux composites à matrice céramique (CMC) supportent des températures allant de 600°C à 1400°C. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les 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. Ces avantages expliquent l’intérêt industriel de développer de tels matériaux composites à matrice céramique. Parmi ces composés, les matériaux composites à matrice céramique à base carbure, en particulier les composites SiC/SiC, permettent de remplacer avantageusement les pièces en superalliages à base nickel ou base cobalt. Toutefois, l’environnement physico-chimique d’une turbomachine aéronautique, et en particulier de la partie chaude d’une turbomachine aéronautique est oxydant et corrosif. Ainsi, les CMC considérés pour une telle application sont recouverts d’une couche de protection dite barrière environnementale (ou EBC pour l’acronyme anglais « environmental barrier coating »). De telles couches protectrices ont été développées et offrent des protections satisfaisantes. Néanmoins, l’intégrité de ces couches devient alors un impératif important pour l’utilisation des pièces en CMC car si la couche de protection est éliminée, même localement, toute la pièce peut pâtir de l’absence de la couche de protection. Pour cette raison, il est complexe d’envisager l’utilisation de pièces en CMC pour des pièces mobiles, car les risques de frottements pour de telles pièces sont plus élevés, et les frottements risquent d’occasionner la détérioration de la couche de protection. La faible résistance aux frottements de la barrière environnementale pose problème dans la fabrication d’aubes mobiles en matériau CMC. En effet, de manière classique, le sommet des aubes mobiles dans une turbomachine aéronautique frotte contre le carter disposé en regard de l’aubage mobile pour satisfaire à des besoins aérodynamiques, en l’espèce pour éviter qu’une partie du flux d’air ne puisse fuir en sommet d’aube. Ce frottement est indispensable pour satisfaire aux besoins aérodynamiques mais est incompatible de l’utilisation d’une barrière environnementale traditionnelle, si bien qu’il existe un besoin de développer de nouvelles couches de protection pour une application d’aubes mobiles en CMC. La présente invention vise précisément à répondre à ce problème. Pour cela, elle concerne selon un de ses aspects une aube pour turbomachine aéronautique en matériau composite à matrice céramique comprenant une partie de pied d’aube, une partie principale d’aube et une partie de tête d’aube, la partie de tête d’aube comprenant au moins une léchette, destinée à frotter contre un matériau abradable disposé en regard de ladite léchette, l'aube étant caractérisée en ce que la léchette comprend de l’intérieur vers l’extérieur au moins les couches suivantes : - un corps d’aube en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale ; - une couche de silicium ; et - une couche de carbure de silicium. L’aube décrite permet d’obtenir une aube en matériau composite pour laquelle les parties risquant l’usure par frottement sont renforcées. En effet, la couche de carbure de silicium est très dure et la couche de silicium sous-jacente assure une excellente continuité chimique entre la couche de barrière environnementale et la couche de carbure de silicium ce qui permet une excellente adhésion des couches entre-elles. Dans une telle aube, c’est la couche de carbure de silicium externe de la léchette qui frotte contre le matériau abradable disposé en regard de la léchette. Ainsi, non seulement la léchette remplit son rôle et évite toute fuite d’air entre le sommet de l’aube et le carter mais également, la couche de carbure de silicium assure une excellente résistance à l’abrasion de la léchette qui assure ainsi l’intégrité de la couche de barrière environnementale sous-jacente. Egalement, la couche d’accroche assure quant à elle une excellente continuité entre le corps d’aube et la couche de barrière environnementale, notamment en termes de coefficients d’expansion thermique et de chimie. En effet, il est préférable, pour des raisons de dilatation différentielle au cours de l’utilisation d’une aube décrit plus haut, que les coefficients d’expansion thermique de deux couches successives soient suffisamment proches pour éviter la délamination de l’ensemble. De même, la couche de silicium assure une excellente continuité entre la couche de barrière environnementale et la couche de carbure de silicium, notamment en termes de coefficient d’expansion thermique et de chimie. L’empilement de l’invention assure donc que les couches soient solidement liées entre elles et que l’ensemble présente une excellente résistance à la délamination. Dans un mode de réalisation, l’aube ne comprend les couches de silicium et de carbure de silicium que sur sa partie de sommet d’aube, voire uniquement sur sa léchette, le reste de l’aube comprenant un corps d’aube en matériau composite en matériau composite, une couche d’accroche comprenant de la silice et une couche de barrière environnementale. Ce mode de réalisation permet une excellente intégration de l’invention aux procédés de fabrication d’aubes connues. En effet, le choix particulier de disposer la protection sur la partie de sommet d’aube, voire uniquement sur la ou les léchettes et non sur l’ensemble de l’aube permet d’utiliser les aubes de l’art antérieur sans risque que l’ajout des couches de silicium et de carbure de silicium ne perturbent la géométrie de l’aube pour des parties remplissant un rôle aérodynamique très précis, en particulier la partie principale de l’aube, notamment le bord d’attaque ou le bord de fuite. Puisque ces parties ne sont pas sujettes à des frottements, il n’est en effet pas indispensable qu’elles soient revêtues par la couche de silicium et celle de carbure de silicium, au contraire de la léchette. Dans un mode de réalisation, l’ensemble du pied d’aube, de la partie principale d’aube et de tête d’aube comprennent de l’intérieur vers l’extérieur au moins les couches suivantes : - un corps d’aube en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale ; - une couche de silicium ; et - une couche de carbure de silicium. Ce mode de réalisation permet un procédé de préparation simplifié pour l’ensemble de l’aube car il est plus simple de déposer la couche de silicium et la couche de carbure de silicium sur l’ensemble de l’aube que de les déposer sélectivement sur la léchette. En outre, la couche de carbure de silicium permet de protéger ainsi l’ensemble de la couche de barrière environnementale contre la dissolution par réaction avec les sables fondus (dits « CMAS » pour l’acronyme de leur nom anglais « calcium-magnesium aluminosilicate »), car la couche de carbure de silicium est inerte vis-à-vis de telles espèces. Dans un mode de réalisation, au moins la léchette comprend sans autre couche et de l’intérieur vers l’extérieur, l’empilement des couches suivantes : - un corps d’aube en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale ; - une couche de silicium ; et - une couche de carbure de silicium. Dans un mode de réalisation, l’ensemble de l’aube comprend sans autre couche et de l’intérieur vers l’extérieur, l’empilement des couches suivantes : - un corps d’aube en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale ; - une couche de silicium ; et - une couche de carbure de silicium. Dans un mode de réalisation, le corps d’aube en matériau composite à matrice céramique comprend un renfort fibreux comprenant des fibres de carbure de silicium dont la porosité est remplie par une matrice de carbure de silicium. Dans un mode de réalisation, la couche de barrière environnementale peut comprendre un disilicate de terre rare RE 2 Si 2 O 7 , où la terre rare RE est choisi parmi l’yttrium, l’ytterbium ou un mélange de ces deux composés. Dans un mode de réalisation, la couche de barrière environnementale comprend pour plus de 90 % en poids, voire pour plus de 99% en poids, voire est constituée d’un disilicate de terre rare RE 2 Si 2 O 7 , où la terre rare RE est choisi parmi l’yttrium, l’ytterbium ou un mélange de ces deux composés. Dans un mode de réalisation, la couche de silicium a une épaisseur supérieure ou égale à 2 µm. Les inventeurs ont constaté qu’une telle épaisseur était suffisante pour permettre à la couche de silicium d’assurer son rôle, i.e. de permettre une excellente accroche de la couche de carbure de silicium à la couche de barrière environnementale sous-jacente. Dans un mode de réalisation, la couche de silicium a une épaisseur comprise entre 2 µm et 20 µm. Ce mode de réalisation permet d’assurer d’une part une excellente accroche de la couche de carbure de silicium sur la couche de barrière environnementale, et d’autre part de limiter la taille d’une telle couche. L’ « épaisseur » d’une couche s’entend au sens habituel de ce terme pour une couche, et représente sa dimension dans une direction perpendiculaire au corps d’aube qu’elle recouvre. Dans un mode de réalisation, la couche de carbure de silicium a une épaisseur supérieure ou égale à 10 µm. Les inventeurs ont constaté qu’une telle épaisseur assurait une excellente tenue de la couche supérieure en carbure de silicium tout au long de la durée de vie d’une aube de turbomachine. Dans un mode de réalisation, la couche de carbure de silicium a une épaisseur comprise entre 10 µm et 100 µm. Ce mode de réalisation est un optimum entre l’épaisseur nécessaire pour que la couche de carbure de silicium remplisse son rôle et une limitation de la taille du revêtement déposé. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne une turbomachine aéronautique comprenant un carter et un aubage mobile disposé dans ledit carter, l’aubage mobile comprenant au moins une aube telle que décrite ci-dessus, et dans laquelle la surface du carter en regard de la léchette comprend un matériau abradable choisi parmi un matériau métallique ou un matériau céramique. Le choix particulier du matériau abradable peut être fait en fonction de la température de fonctionnement souhaitée pour l’aube. Dans un tel mode de réalisation, il est assuré que la surface en regard de la léchette de l’aube telle que décrite soit plus abradable que la couche supérieure de la léchette en carbure de silicium. Ainsi, l’on s’assure d’obtenir une turbomachine aéronautique possédant les avantages d’aubes en matériau composite à matrice céramique, notamment en termes d’allègement et de résistance en température, et assurant en outre que l’intégrité des aubes est assurée pour sa portion risquant de voir des frottements. La représente une aube dans un mode de réalisation de l’invention. La représente un détail d’une léchette d’une aube dans un mode de réalisation de l’invention. 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 illustre une aube de turbomachine dans un mode de réalisation. Une telle aube comprend une partie de pied 1, une partie principale d’aube 2 et une partie de tête d’aube 3, laquelle comprend une léchette 31. Par exemple, la partie de pied 1 peut comprendre une plateforme 11 et une zone d’échasse 12, permettant de monter l’aube sur un anneau mobile, non représenté. La partie principale d’aube 2, comprend un bord d’attaque 22 et un bord de fuite 21. De manière classique, la partie principale d’aube comprend un intrados et un extrados dont la courbure est fonction des propriétés aérodynamiques souhaitées pour l’aube. L’aube comprend enfin une partie de tête d’aube 3, qui comprend une léchette 31. L’aube peut comprendre une pluralité de léchettes 31, ainsi que représenté en . La léchette 31 a pour but d’assurer que le sommet de l’aube soit en contact d’un matériau abradable disposé en regard lorsque l’aube est disposée dans un carter. Cela diminue les fuites d’air en sommet d’aube ce qui augmente la proportion de l’air de la veine d’air fournissant effectivement un travail à l’aube, augmentant ainsi l’efficacité de la turbomachine. Ainsi que cela est décrit, la léchette 31 est destinée à être au contact d’un matériau abradable, non représenté. Dans un mode de réalisation, un matériau sera dit « abradable » s’il présente une dureté inférieure à celle du carbure de silicium. Par exemple un tel matériau abradable peut être choisi parmi un matériau métallique ou un matériau céramique, par exemple de la zircone ZrO 2 . En effet, la couche supérieure de la léchette 31 en carbure de silicium assure que la rotation de l’aube et ses frottements sur ledit matériau abradable n’endommage pas la léchette 31, et en particulier ne compromet pas l’intégrité de la couche de barrière environnementale disposée en dessous de la couche en carbure de silicium à l’inverse de ce qui a pu être observé pour des aubes où la couche de barrière environnementale frotterait contre le matériau abradable. Dans un mode de réalisation, l’aube comprend une surface externe recouverte d’une barrière environnementale, sauf pour ses léchettes où elle comprend alors une surface externe en carbure de silicium. En effet, l’épaisseur introduite par la couche de silicium et celle de carbure de silicium d’un empilement décrit peut représenter une surépaisseur non souhaitée pour certaines parties de l’aube et en particulier pour la partie principale de l’aube 2. En effet, la partie principale de l’aube 2 a un profil qui joue un rôle aérodynamique capital, et il est très important que sa géométrie réponde à des spécifications précises. Un dépôt supplémentaire d’une couche de silicium 314 et de carbure de silicium 315 nécessite de repenser l’ensemble de l’aube et sa géométrie pour s’assurer qu’elle continue de répondre aux spécifications aérodynamique. Le mode de réalisation où seule les léchettes sont revêtues permet alors d’utiliser des aubes en matériau composite à matrice céramique comprenant une couche d’accroche et une couche de barrière environnementale de l’art antérieure aux géométries déjà connues et validées. Alternativement, toute l’aube comprend de son cœur vers l’extérieur : - un corps d’aube en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale ; - une couche de silicium ; et - une couche de carbure de silicium. Ce mode de réalisation nécessite de tenir compte de l’épaisseur de la couche de silicium et de la couche de carbure de silicium dans la conception géométrique de l’aube mais assure en contrepartie une meilleure résistance à la détérioration par réaction avec sables fondus. La illustre un empilement de couches ainsi qui peuvent former une léchette 31 dans un mode de réalisation de l’invention. Ainsi que cela est décrit sur la , la léchette 31 comprend de son cœur vers l’extérieur : - un corps d’aube 311 en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche 312 comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale 313 ; - une couche de silicium 314 ; et - une couche de carbure de silicium 315. Dans un mode de réalisation, l’aube comprend un corps d’aube en matériau composite dont à la fois le renfort fibreux et la matrice sont en carbure de silicium. De tels matériaux, aussi dit matériaux SiC/SiC sont connus en tant que tels. Par exemple, la couche d’accroche est une couche de silice SiO 2 dite d’oxyde thermiquement grandis (ou TGO pour l’acronyme anglais « thermally grown oxide »). Une telle couche 312 permet d’assurer une excellente continuité chimique entre le corps d’aube en matériau composite à matrice céramique 311 et la couche de barrière environnementale 313. En outre une telle couche 312 assure également une bonne continuité en termes de coefficients d’expansion thermique, ce qui évite la délamination lors de l’exposition de l’ensemble de l’aube aux températures élevées rencontrées dans les turbomachines aéronautiques. La couche d’accroche 312 joue en plus un rôle de protection du corps d’aube 311 contre l’oxydation et la corrosion lors de l’utilisation dans une turbomachine aéronautique. Dans un mode de réalisation, qui est celui représenté, les couches décrites sont directement au contact les unes des autres, dans l’ordre indiqué, et l’empilement ne comprend pas d’autre couche que les couches représentées. Dit autrement, dans un mode de réalisation, le corps d’aube 311 est au contact de la couche d’accroche 312 comprenant de la silice, elle-même au contact de la couche de barrière environnementale 313, elle-même au contact de la couche de silicium 314 elle-même au contact de la couche de carbure de silicium 315. Dans un mode de réalisation, la couche de silicium 314 peut être obtenue par un procédé de dépôt physique en phase vapeur ou un dépôt chimique en phase vapeur. Dans un mode de réalisation, la couche de carbure de silicium 315 peut être obtenue par un procédé de dépôt physique en phase vapeur ou un dépôt chimique en phase vapeur. Dans un mode de réalisation, les couches de silicium 314 et de carbure de silicium 315 peuvent être obtenues dans une même enceinte de dépôt physique en phase vapeur ou de dépôt chimique en phase vapeur. Dans un mode de réalisation, la couche d’accroche comprenant de la silice 312 peut être obtenue par voie liquide, selon un procédé connu en tant que tel. Dans un mode de réalisation, la couche de barrière environnementale 313 peut être obtenue par voie liquide, selon un procédé connu en tant que tel, par exemple par un procédé sol-gel. Aube pour turbomachine aéronautique en matériau composite à matrice céramique comprenant une partie de pied d’aube (1), une partie principale d’aube (2) et une partie de tête d’aube (3), la partie de tête d’aube comprenant au moins une léchette (31), destinée à frotter contre un matériau abradable disposé en regard de ladite léchette, l'aube étant caractérisée en ce que la léchette comprend de l’intérieur vers l’extérieur au moins les couches suivantes : - un corps d’aube (311) en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche (312) comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale (313) ; - une couche de silicium (314) ; et - une couche de carbure de silicium (315). Aube selon la revendication 1, dans laquelle la couche de silicium (314) a une épaisseur supérieure ou égale à 2 µm. Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la couche de carbure de silicium (315) a une épaisseur supérieure ou égale à 10 µm. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche de barrière environnementale (315) comprend un disilicate de terre rare RE 2 Si 2 O 7 , où la terre rare RE est choisi parmi l’yttrium, l’ytterbium ou un mélange de ces deux composés. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l’ensemble du pied d’aube (1), de la partie principale d’aube (2) et de tête d’aube (3) comprennent de l’intérieur vers l’extérieur au moins les couches suivantes : - un corps d’aube (311) en matériau composite à matrice céramique ; - une couche d’accroche (312) comprenant de la silice ; - une couche de barrière environnementale (313) ; - une couche de silicium (314) ; et - une couche de carbure de silicium (315). Turbomachine aéronautique comprenant un carter et un aubage mobile disposé dans ledit carter, l’aubage mobile comprenant au moins une aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, et dans laquelle la surface du carter en regard de la léchette (31) comprend un matériau abradable choisi parmi un matériau métallique ou un matériau céramique.