Brevet FR3146909A1 — publié le 20240927

Pièce revêtue d’une structure protectrice anti aluminosilicates de calcium et de magnésium Pièce (10) de turbomachine revêtue comprenant :un substrat (20) en superalliage, une sous-couche de liaison (101) métallique présente sur le substrat, une structure protectrice (103) présente sur la sous-couche de liaison (101) comprenant un empilement d’une pluralité de couches d’au moins un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium, une barrière thermique (105) en céramique recouvrant la structure protectrice, et une barrière environnementale (107) recouvrant la barrière thermique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Pièce revêtue d’une structure protectrice anti aluminosilicates de calcium et de magnésium Le présent exposé concerne une pièce revêtue d’une structure protectrice anti aluminosilicates de calcium et de magnésium (CMAS). La présente invention se rapporte au domaine général des revêtements de protection utilisés pour isoler thermiquement des pièces dans des environnements à haute température telles que les pièces utilisées dans des parties chaudes des turbomachines aéronautiques ou terrestres. Afin d'améliorer le rendement des turbomachines, en particulier des turbines haute pression (TuHP) pour les systèmes stationnaires terrestres ou pour la propulsion aéronautique, des températures de plus en plus élevées sont envisagées. Dans ces conditions, les matériaux utilisés, comme les alliages métalliques, nécessitent une protection, principalement pour maintenir une température de surface suffisamment basse garantissant leur intégrité fonctionnelle et limitant leur oxydation/corrosion par l'atmosphère environnante. Les protections de type « barrière thermique » (BT) sont des empilements multicouches complexes généralement constitués d'une sous-couche permettant une protection contre l'oxydation/corrosion déposée à la surface du substrat, elle-même surmontée d'un revêtement céramique dont la fonction première est de limiter la température de surface des composants revêtus. La durée de vie des BT dépend de la résistance de l'empilement au cyclage thermique, d'une part, et de la résistance de la couche externe aux agressions environnementales (érosion par les particules solides, résistance chimique, corrosion, ...), d'autre part. En particulier, ces systèmes se dégradent très rapidement lorsqu'ils sont exposés à un milieu riche en particules de sable ou de cendre volcanique (riches en composés inorganiques type silice) que l'on caractérise communément par l'appellation générique CMAS (pour oxydes de Calcium, Magnésium, Aluminium et Silicium). Certains systèmes connus, utilisant notamment des barrières environnementales (BE) prévues sur la BT, permettent de limiter l’impact de l’infiltration du CMAS. Toutefois ces systèmes présentent encore des limitations qui peuvent conduire à un écaillage de la BE et de la BT en présence de CMAS, et donc à réduire la durée de vie du substrat. Il existe donc un besoin pour une pièce de turbomachine munie d'une protection contre les CMAS plus performante, notamment à hautes températures (typiquement au-delà de 1200°C). Le présent exposé concerne une pièce de turbomachine revêtue comprenant un substrat en superalliage, une sous-couche de liaison métallique présente sur le substrat, une structure protectrice présente sur la couche de liaison, cette structure comprenant un empilement d’une pluralité de couches d’au moins un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium, chaque couche de l’empilement présentant une épaisseur comprise entre 0,05 µm et 4 µm, une barrière thermique en céramique recouvrant la structure protectrice, et une barrière environnementale recouvrant la barrière thermique. Dans certains modes de réalisation, chaque couche de l’empilement présente une épaisseur comprise entre 1 µm et 4 µm, plus préférentiellement entre 1 µm et 2 µm. Dans certains modes de réalisation, chaque couche de l’empilement présente une épaisseur comprise entre 0,05 µm et 0,8 µm. Du fait qu’elle comprenne des couches d’un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium (CMAS) la structure protectrice confère à la pièce une meilleure imperméabilité/résistance aux CMAS. En effet, en cas d’écaillage de la barrière environnementale (BE) et/ou de la barrière thermique (BT), la structure protectrice, prévue en dessous de ces barrières, permet de prolonger la protection de la pièce vis-à-vis des CMAS. Par ailleurs, du fait de sa conformation en une pluralité de couches, la structure protectrice confère une meilleure protection vis-à-vis de la fissuration. En prenant l’exemple d’une éventuelle fissure de la BT se propageant jusqu’à la structure protectrice, cette dernière se propagerait plus difficilement dans la structure protectrice car chaque couche de la structure protectrice définit une interface à franchir pour la fissure. De plus, si une couche de la structure protectrice est fissurée et que des CMAS s’infiltrent à travers cette fissure, les CMAS entrent en contact avec une couche de la structure protectrice qui est prévue dans un matériau de protection contre les CMAS, apte à les capturer. En effet, le ou les matériaux de protection forment alors une phase vitreuse stoppant l’infiltration. Par exemple, cette phase vitreuse est de type apatite ou anorthite. Par ailleurs, l’épaisseur des couches de l’empilement permettent de limiter voire annuler les réflexions multiples d’un rayonnement infrarouge incident au sein de l’empilement. Cet effet est particulièrement notable pour une épaisseur de couche inférieure à 4 µm d’épaisseur par couche. En effet, pour des couches plus épaisses, le rayonnement infrarouge incident est grandement, voire entièrement, absorbé et diffusé dans les couches de l’empilement. De cette façon, la résistance thermique de la pièce revêtue est améliorée. Dans certains modes de réalisation, l’empilement de couches comprend au moins 10 couches, préférentiellement au moins 50 couches, plus préférentiellement au moins 150 couches. Ainsi, le grand nombre de couches permet de multiplier d’autant le nombre d’interfaces présentes dans la structure protectrice. La résistance de la structure protectrice contre les fissures en est améliorée. Cet effet est synergétique avec une faible épaisseur des couches, par exemple inférieure à 1 µm, afin de multiplier le nombre de couches et le nombre d’interfaces. Dans certains modes de réalisation, la structure protectrice comprend une couche en alumine en contact avec la sous-couche de liaison métallique. Cette configuration permet d’améliorer la compatibilité thermomécanique entre la structure protectrice et la sous-couche de liaison. Dans certains modes de réalisation, la structure protectrice forme une barrière optique apte à réfléchir un rayonnement thermique présentant une longueur d’onde comprise entre 0,2 et 6 µm, et la structure protectrice comprend une alternance de premières couches et de deuxièmes couches en matériaux distincts, les premières et deuxièmes couches ayant une différence d’indice optique d’au moins 0,3 - pour une longueur d’onde comprise entre 0,2 et 6 µm. Dans cette configuration, la structure de protection forme un réseau optique apte à réfléchir une partie du rayonnement infrarouge incident. Dans de telles circonstances, la structure de protection permet de réduire le flux de chaleur se propageant au travers de la pièce, ce qui renforce la protection de la pièce. Du fait de son architecture empilée apte à réfléchir au moins en partie le rayonnement infrarouge, la structure protectrice présente une protection thermique supplémentaire. Ainsi, il est plus aisé de maintenir le superalliage, formant le substrat, dans ses conditions optimales de performance. Avantageusement, les premières couches présentent un premier indice optique compris entre 1,2 et 1,8 et les deuxièmes couches présentent un deuxième indice optique compris entre 1,5 et 2,5. Avantageusement, la structure protectrice présente une réflectivité supérieure ou égale à 40% pour des longueurs d’ondes comprises entre 0,2 µm et 6 µm. Dans la présente demande, l’indice optique d’une couche de l’empilement (ou plus généralement d’un matériau) est mesuré par ellipsométrie de la température ambiante à la température de fonctionnement visée (T > 800 °C) sur une plage de longueurs d’ondes d’intérêt. Dans le présent exemple, les longueurs d’ondes d’intérêt sont celles des ondes infrarouges et sont par exemple comprises entre 0,2 et 6 µm. Grâce à une telle structure protectrice, la température vue par le substrat en superalliage est réduite d’au moins 1 ° C pour une température de fonctionnement d’entrée turbine supérieure à 1300 °C. Avantageusement, toutes les premières couches sont en matériau de protection contre les CMAS. Encore plus avantageusement, toutes les premières et les deuxièmes couches sont en matériau de protection contre les CMAS. Dans certains modes de réalisation, les premières couches sont en Al 2 O 3 et les deuxièmes couches sont en CeO 2 . Dans certaines autres configurations, les premières et deuxièmes couches sont prévues selon les couples suivants : Al 2 O 3 / SrTiO 3 ; Al 2 O 3 /TiO 2 ; Al 2 O 3 /TiO 2 +Nb 2 O 5 ; Al 2 O 3 /TiO 2 +Ta 2 O 5 ; Al 2 O 3 /Ta 2 O 5 ; Al 2 O 3 /TiO 2 +La 2 O 3 ; MgAl 2 O 4 /SrTiO 3 ; MgAl 2 O 4 /TiO 2 ; Y 3 Al 5 O 12 /TiO 2 ; Y 3 Al 5 O 12 /TiO 2 +Nb 2 O 5 ; Y 3 Al 5 O 12 /TiO 2 +Ta 2 O 5 ; Al 2 O 3 /Cr 2 O 3 ; HfO 2 -Y 2 O 3 /TiO 2 ; HfO 2 -Y 2 O 3 /TiO 2 +Nb 2 O 5 ; HfO 2 +Y 2 O 3 /TiO 2 +Ta 2 O 5 ; HfO 2 +Y 2 O 3 /Ta 2 O 5 , HfO 2 -Re 2 O 3 /Al 2 O 3 . Le fait de réaliser les premières couches et les deuxièmes couches dans ces matériaux, favorise la protection vis-à-vis des CMAS tout en offrant une bonne une réflectivité vis-à-vis du rayonnement infrarouge. Le présent exposé concerne par ailleurs un procédé de fabrication d’une pièce revêtue selon l’un des précédents modes de réalisation comprenant le dépôt de la structure protectrice sur la sous-couche de liaison métallique par un procédé de pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsion de haute puissance, le dépôt de la barrière thermique sur la structure protectrice et le dépôt de la barrière environnementale sur la barrière thermique. L’utilisation d’un procédé de pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsion de haute puissance (de l’anglais High Power Impulse Magnetron Sputtering, donnant l’acronyme HiPIMS) est particulièrement avantageux pour déposer de façon maîtrisée, homogène et reproductible les fines couches de la structure protectrice. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif et du procédé proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. La représente schématiquement une vue en coupe d’une pièce revêtue selon un mode de réalisation de l’invention. La représente schématiquement un procédé de fabrication de la pièce revêtue selon un mode de réalisation de l’invention. Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple de dispositif est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. La représente schématiquement une vue en coupe d’une pièce 10 revêtue selon un mode de réalisation de l’invention. La pièce 10 comprend un substrat 20 en superalliage, typiquement en superalliage de nickel. La pièce comprend par ailleurs une sous-couche de liaison métallique 101 présente sur le substrat 20, une structure protectrice 103 recouvrant la sous-couche de liaison métallique 101, une barrière thermique 105 recouvrant la structure protectrice 103 et une barrière environnementale 107 recouvrant la barrière thermique 105. Dans le présent exemple de réalisation, la sous-couche de liaison métallique 101 est une aluminure de nickel, optionnellement dopée au platine, au hafnium, au zirconium, à l’yttrium ou au silicium. La barrière thermique 105 est une céramique. Dans le présent exemple de réalisation, la barrière thermique 105 est une zircone partiellement stabilisée à l’oxyde d’yttrium (ou YPSZ de l’anglais Yttria Partially Stabilized Zirconia) ou tout autre terre rare stabilisée. La barrière environnementale 107 est une céramique présentant un effet de protection contre les CMAS. A titre d’exemples non limitatifs, la barrière environnementale 107 peut être prévue en RE 2 Zr 2 O 7 , avec RE = Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Yb, Dy, Ho, Er, Tm, Tb ou Lu. La structure protectrice 103 comprend un empilement d’une pluralité de couches d’au moins un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium. L’empilement peut comprendre au moins 10 couches. Dans le présent exemple, l’empilement de couches comprend plus de 150 couches, et chaque couche présente une épaisseur comprise entre 0,05 µm et 0,8 µm. L’empilement de la structure protectrice 103, dans son ensemble, peut présenter une épaisseur comprise entre 1 µm et 100 µm, préférentiellement entre 1µm et 50 µm. Par ailleurs, dans le présent exemple de réalisation, la couche de l’empilement qui est en contact avec la sous-couche de liaison métallique 101 est en alumine, afin d’améliorer la compatibilité thermomécanique entre la structure protectrice et la sous-couche de liaison. L’empilement de couches de la structure protectrice 103 comprend une alternance de premières couches et de deuxièmes couches en matériaux distincts. En particulier, les premières et deuxièmes couches présentent une différence d’indice optique d’au moins 0,3 - sur une plage spectrale définie. Dans le présent exemple, la plage spectrale englobe des longueurs d’ondes comprises entre 0.2 et 6 µm, mais peut être définie de manière plus étroite. Selon cet exemple de réalisation, la structure de protection 103 forme un réseau optique apte à réfléchir une partie du rayonnement infrarouge incident. Le tableau suivant cite des exemples de couches qui peuvent être employées en tant que première et/ou deuxième couches, en s’assurant que le couple présente une différence d’indice optique d’au moins 0,3 sur la plage spectrale définie. Matériaux Indice de réfraction Plage de mesure en longueur d’onde Indice optique TiO 2 0.4 µm 10 µm 2,8-1.4 Cr 2 O 3 0.3-1.1 µm 1,3-2.6 SrTiO 3 0,4 µm 5.1 µm 2,4 - 2,2 CeO 2 0,46 µm - 11 µm 2,2 Nb 2 O 5 0.4 µm – 9 µm 2.4-2.2 Sc 2 O 3 0.4 µm -12 µm 2.0 SrMoO 4 0,45 µm - 2,4 µm 1.9 Y 3 Al 5 O 12 0.21 µm -5.2 µm 1.8 SiO 2 0.25-7.5 µm 1.5-1,0 Y 2 O 3 0.5 µm - 9.6 µm 2-1.7 Y 3 Al 5 O 12 0,21µm-5,2µm 1,8 MgAl 2 O 4 0.21 µm - 5.5 µm 1.7-1.6 Al 2 O 3 0.38 µm - 10.8 µm 1.7-0.6 MgO 0,36 µm -5 µm 1.7-1.6 TiO 2 +La 2 O 3 0,3 µm -7 µm 2,1 TiO 2 +Nb 2 O 5 0,4 µm -12 µm 2,3 TiO 2 (50%mol) +Ta 2 O 5 (50%mol) 0,9 µm -11 µm 2,3 Ta 2 O 5 0,35 µm -9 µm 2,3 HfO 2 -Y 2 O 3 (⩾15 %mol) 1µm -5µm 2.1-2,0 HfO 2 -RE 2 O 3 (⩾15 %mol) avec (RE=du La au Yb) 1µm -5µm 1,9 Une telle structure de protection 103 est apte à réfléchir 40% de l’intensité incidente sur la plage spectrale définie, à savoir des longueurs d’ondes comprises entre 0,2 µm et 6 µm. Par exemple, les premières et les deuxièmes couches peuvent être respectivement prévues en Al 2 O 3 et en CeO 2 . D’autres couples peuvent être sélectionnés (voir Table 1). Nous listons ici, de façon non exhaustive, des couples de premières et de deuxièmes couches : Al 2 O 3 / SrTiO 3 ; Al 2 O 3 /TiO 2 ; Al 2 O 3 /TiO 2 +Nb 2 O 5 ; Al 2 O 3 /TiO 2 +Ta 2 O 5 ; Al 2 O 3 /Ta 2 O 5 ; Al 2 O 3 /TiO 2 +La 2 O 3 ; MgAl 2 O 4 /SrTiO 3 ; MgAl 2 O 4 /TiO 2 ; Y 3 Al 5 O 12 /TiO 2 ; Y 3 Al 5 O 12 /TiO 2 +Nb 2 O 5 ; Y 3 Al 5 O 12 /TiO 2 +Ta 2 O 5 ; Al 2 O 3 /Cr 2 O 3 ; HfO 2 -Y 2 O 3 /TiO 2 ; HfO 2 -Y 2 O 3 /TiO 2 +Nb 2 O 5 ; HfO 2 +Y 2 O 3 /TiO 2 +Ta 2 O 5 ; HfO 2 +Y 2 O 3 /Ta 2 O 5 , HfO 2 -Re 2 O 3 /Al 2 O 3 . Sans vouloir se limiter à une quelconque théorie, les inventeurs ont constaté que plusieurs conditions sur les premières et deuxièmes couches favorisent la réflexion d’une intensité incidente sur la plage spectrale définie. Ils ont en particulier identifié les conditions suivantes : Le coefficient d’absorption des matériaux des premières et deuxièmes couches est faible, par exemple inférieur à 0,01; La différence d’indice entre les matériaux des premières et deuxièmes couches est supérieure à 0,3 ; La couche contactant la sous couche de liaison métallique est une première couche de l’empilement et présente un indice optique plus bas que l’indice optique des deuxièmes couches (typiquement ≤ 1,7). La dernière couche de l’empilement, à savoir celle qui contacte la barrière thermique, présente un indice optique plus haut que l’indice optique des premières couches (typiquement ≥ 2). La représente schématiquement un procédé de fabrication de la pièce revêtue selon un mode de réalisation de l’invention. Le procédé de fabrication de la procédure comprend le dépôt de la structure protectrice sur la sous-couche de liaison métallique E1 par un procédé de pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsion de haute puissance (de l’anglais High Power Impulse Magnetron Sputtering, donnant l’acronyme HiPIMS), le dépôt de la barrière thermique E2 sur la structure protectrice, et le dépôt de la barrière environnementale E3 sur la barrière thermique Par ailleurs, la sous-couche de liaison métallique 101 peut être déposée par dépôt physique en phase vapeur (ou PVD de l’anglais Physical Vapor Deposition). La sous-couche de liaison métallique 101 peut alors être colonnaire et, dans ce cas, il est avantageux que la sous-couche de liaison métallique 101 présente un espace inter-colonnaire inférieur à 1 µm. En effet, dans ces circonstances, l’effet anti-CMAS et la protection thermique sont améliorés. Le dépôt de la barrière thermique E2 et le dépôt de la barrière environnementale E3 peuvent, par exemple, être effectués par projection plasma à pression atmosphérique (de l’anglais « Atmospheric Plasma Spraying » ou APS), projection plasma de suspensions (de l’anglais « Suspension Plasma Spraying » ou SPS), projection plasma de solutions (de l’anglais « Solution Precursor Plasma Spraying » ou SPPS), flamme à grande vitesse en voie poudre (de l’anglais High Velocity Oxygen Fuel » ou HVOF), flamme à grande vitesse en voie liquide (de l’anglais « High Velocity Suspension Flame Spray » ou HVSFS), dépôts phase vapeur (de l’anglais « Physical Vapor Deposition » ou PVD), sol-gel ou électrophorèse. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. La description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé. Pièce (10) de turbomachine revêtue comprenant : un substrat (20) en superalliage, une sous-couche de liaison (101) métallique présente sur le substrat, une structure protectrice (103) présente sur la sous-couche de liaison (101), cette structure comprenant un empilement d’une pluralité de couches d’au moins un matériau de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium, chaque couche de l’empilement présentant une épaisseur comprise entre 0,05 µm et 4 µm, une barrière thermique (105) en céramique recouvrant la structure protectrice, et une barrière environnementale (107) recouvrant la barrière thermique. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle chaque couche de l’empilement présente une épaisseur comprise entre 0,05 µm et 0,8 µm. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle chaque couche de l’empilement présente une épaisseur comprise entre 1 µm et 4 µm, plus préférentiellement entre 1 µm et 2 µm. Pièce selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle l’empilement de couches comprend au moins 10 couches, préférentiellement au moins 50 couches, plus préférentiellement au moins 150 couches. Pièce selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la structure protectrice (103) comprend une couche en alumine en contact avec la sous-couche de liaison métallique. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la structure protectrice (103) forme une barrière optique apte à réfléchir un rayonnement thermique présentant une longueur d’onde comprise entre 0.2 et 6 µm, , et dans laquelle la structure protectrice (103) comprend une alternance de premières couches et de deuxièmes couches en matériaux distincts, les premières et deuxièmes couches ayant une différence d’indice optique d’au moins 0,3 pour une longueur d’onde comprise entre 0.2 et 6 µm. Pièce selon la revendication 6, dans lequel les premières couches sont en Al 2 O 3 et les deuxièmes couches sont en CeO 2 . Procédé de de fabrication d’une pièce revêtue selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant : - le dépôt de la structure protectrice (103) sur la sous-couche de liaison métallique (101) par un procédé de pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsion de haute puissance, - le dépôt de la barrière thermique (105) sur la structure protectrice (103), et - le dépôt de la barrière environnementale (107) sur la barrière thermique 105).