Brevet FR3148793A1 — publié le 20241122

Sous-couche pour un revêtement de type barrière environnementale pour des pièces en composite à matrice céramique Un aspect de l’invention concerne un revêtement (1) pour composite à matrice céramique, comprenant une première couche, dite sous-couche (3), et une seconde couche, dite couche de finition (4), la sous-couche (3) comprenant un oxynitrure de silicium de formule Si x N y O z , préférentiellement tel que SiN ( 4/3)w O 2 (1-w) , avec 0 ≤ w ≤ 1, x=1, y=(4/3)w et z=2(1-w). Un oxynitrure de silicium préféré est de formule Si 2 N 2 O. La sous-couche (3) est préférentiellement déposée par un procédé de dépôt en voie gazeuse, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur ou par dépôt physique en phase vapeur. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 Sous-couche pour un revêtement de type barrière environnementale pour des pièces en composite à matrice céramique DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des composites à matrice céramique recouverts d’un revêtement de type barrière environnementale. La présente invention concerne une sous-couche pour un revêtement de type barrière environnementale pour des pièces en composite à matrice céramique, et en particulier pour des pièces de turbine aéronautiques ou terrestres. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Un composite à matrice céramique (CMC) est une matrice céramique dans laquelle des fibres en céramique sont incorporées. En aéronautique pour les pièces les plus chaudes des moteurs et turboréacteurs, qui subissent des températures supérieures à 1000°C, le renfort céramique des CMC peut parfois être remplacé par d’autres matériaux, comme les carbures, notamment le carbure de silicium. Bien que le carbure de silicium ne soit pas une céramique, il se comporte comme tel dans les composites, aussi les composites à matrice de carbure de silicium sont habituellement considérés comme appartenant à la famille des CMC. En raison des températures subies par ces pièces les plus chaudes, par exemple des chambres de combustion, des liners de chambres de combustion, des anneaux de turbine haute pression, des distributeurs haute pression et des aubes de turbine haute pression ou basse pression, il est également nécessaire de les protéger de l'atmosphère environnante oxydante et/ou corrosive où elles sont situées. Dans ce but, les matériaux CMC sont actuellement recouverts d’un revêtement de type barrière environnementale, également connu en tant que EBC, de l’anglais Environnemental Barrier Coating . Ce revêtement est constitué d’au moins deux couches, à savoir une première couche, dite sous-couche, qui aide à la liaison entre le CMC et les couches supérieures et permet une protection contre l’oxydation par la formation d’une couche d'oxyde (TGO, de l’anglais Thermally Growth Oxyde ), et une seconde couche, dite couche de finition ou top-coat en anglais, aussi imperméable que possible aux espèces oxydantes et/ou corrosives. La sous-couche est en général du silicium déposé par projection thermique (APS ou VPS). Dans le cas d’une oxydation de cette couche, une couche de silice se forme entre le silicium et les couches supérieures de l’EBC et passive le système. Toutefois, après de nombreuses études, le déposant a constaté que la formation de cette silice induit un changement de volume qui conduit à un endommagement de l’EBC pouvant aller jusqu’à l’écaillage du système de protection. En outre, pour une pièce en CMC revêtue de son revêtement, il est aujourd’hui nécessaire de gérer la thermique pour que la température d’interface sous-couche Si / EBC soit en-dessous de la température de fusion du silicium, soit à une température inférieure à 1415°C. Ainsi, le point de fusion du silicium de 1415°C représente une limitation en température pour la sous-couche d’une EBC. Il existe donc un besoin pour améliorer la durée de vie des barrières environnementales et augmenter la température d’utilisation de ces dernières. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en remplaçant la sous-couche de silicium d’un revêtement de type barrière environnementale par une sous-couche d’oxynitrure de silicium Si x N y O z . Ce revêtement de type barrière environnementale EBC sera ci-après simplement désigné en tant que revêtement. Un aspect de l’invention concerne un revêtement pour composite à matrice céramique, comprenant une première couche, dite sous-couche, et une seconde couche, dite couche de finition ou top coat en anglais, dans lequel la sous-couche comprend un oxynitrure de silicium de formule Si x N y O z . Avantageusement, toutes les valeurs de x, y, z de la formule de l’oxynitrure de silicium sous la forme Si x N y O z appartiennent à une droite définie entre Si3N4 (avec x=3/7, y=4/7 et z=0) et SiO 2 (avec x=1/3, y=0 et z=2/3). Selon un aspect de l’invention, la formule de l’oxynitrure de silicium sous la forme Si x N y O z est notée SiN ( 4/3)w O 2 (1-w) , avec 0 ≤ w ≤ 1, x=1, y=(4/3)w et z = 2(1-w). Selon un autre aspect de l’invention, l’oxynitrure de silicium est de formule Si 2 N 2 O. Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication du revêtement tel que décrit précédemment, dans lequel la sous-couche est déposée par un procédé de dépôt en voie gazeuse. Selon un aspect de l’invention, la sous-couche est déposée par l’un des procédés suivants : dépôt chimique en phase vapeur, dépôt physique en phase vapeur. Selon un aspect de l’invention, la couche de finition comprend une ou plusieurs couches choisies parmi : une couche de silicate de terre rare, une couche de di-silicate de terre rare, une couche de mono-silicate de terre rare, une couche de barium-strontium-aluminum-silicium et une couche de mullite. Un aspect de l’invention concerne également un procédé de fabrication du revêtement tel que décrit précédemment, dans lequel la couche de finition est déposée par l’un des procédés suivants : projection thermique, revêtement au trempé, et électrophorèse. Un aspect supplémentaire de l’invention concerne un ensemble comprenant un élément en matériau composite à matrice céramique et un revêtement recouvrant au moins partiellement ledit élément, dans lequel le revêtement est un revêtement tel que décrit précédemment. Selon un aspect de l’invention, l’ensemble est une chambre de combustion, un liner de chambres de combustion, un anneau de turbine haute pression, un distributeur haute pression, une aube de turbine haute pression ou une aube de turbine basse pression. Un autre aspect de l’invention concerne un aéronef équipé d’un ensemble tel que décrit précédemment. Le revêtement de l’invention présente de nombreux avantages par rapport aux solutions actuelles. En effet, un oxynitrure de silicium Si x N y O z peut être stable à très haute température. Avec un point de fusion d’environ 1600°C, il présente une stabilité thermique supérieure à celle du silicium. Le revêtement de l’invention présente également une meilleure résistance à l’oxydation que le silicium et donc une cinétique de formation de la TGO plus lente. En outre, il présente un coefficient de dilatation plus proche de celui du matériau composite à matrice SiC/SiC ou SiC/SiC-MI, comparativement au silicium. Enfin, le revêtement de l’invention joue avantageusement un rôle de barrière de diffusion permettant de limiter la migration éventuelle du bore depuis le matériau sous-jacent vers la couche de finition. Ainsi, les principaux avantages du nouveau revêtement de l’invention sont d’améliorer la durée de vie des EBC et d’autoriser une augmentation de la température à l’interface entre la sous-couche et la couche de finition d’une EBC. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD) permettent avantageusement de fournir une couche d’oxynitrure de silicium à la fois dense, homogène et de faible épaisseur. L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. est une vue en coupe schématique d’un ensemble comprenant un élément en matériau composite à matrice céramique et un revêtement selon l’invention. est une photographie d’un substrat nu de type SiC avant traitement thermique. est une photographie du substrat nu de après un traitement thermique à 1450°C. est une photographie d’un substrat de type SiC recouvert d’un dépôt de Si 2 N 2 O 0,6 avant traitement thermique. est une photographie du substrat de après un traitement thermique à 1450°C. DESCRIPTION DETAILLEE Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Le revêtement 1 selon l’invention est prévu pour protéger une pièce ou un élément 2 en composite à matrice céramique (CMC) contre l'atmosphère environnante oxydante et/ou corrosive où elles sont situées. Il est notamment prévu pour protéger une pièce ou un élément 2 en CMC dont le renfort est à base de carbure de silicium, par exemple de type SiC/SiC ou SiC/SiC-MI. Ce revêtement 1 comprend au moins deux couches, à savoir une première couche, dite sous-couche 3, et une seconde couche, dite couche de finition 4 ou top coat en anglais (cf. ). Le revêtement 1 se particularise en ce que la sous-couche 3 comprend un oxynitrure de silicium de formule Si x N y O z . L’oxynitrure de silicium Si x N y O z est préférentiellement sous forme amorphe. Préférentiellement, la formule de l’oxynitrure de silicium est sous la forme SiN ( 4/3)w O 2 (1-w) , avec 0 ≤ w ≤ 1, x=1, y=(4/3)w et z=2(1-w). Par exemple, si w =0, la formule de l’oxynitrure de silicium est SiO 2 . Selon un autre exemple, si w = 1, la formule de l’oxynitrure de silicium est SiN (4/3) , qui est équivalent à Si 3 N 4 en multipliant la quantité de chaque atome de la formule par 3. Selon cet exemple, pour chaque atome de Si il y a 4/3 d’atome de N attaché en proportion. Pour avoir une notation plus cohérente, mais sans changer les proportions, il est d’usage d’utiliser un coefficient multiplicateur qui permet d’avoir un nombre entier d’atomes. On obtient donc Si 3 N 4 , soit pour 3 atomes de Si, il y a atomes 4 N attachés en proportion, ce qui est équivalent à 1 pour 4/3. Selon un exemple supplémentaire, si w = 3/4, la formule de l’oxynitrure de silicium est SiNO 1/2 , qui est équivalent à Si 2 N 2 O en multipliant chaque quantité d’atome de la formule par 2. Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’oxynitrure de silicium est de formule Si 2 N 2 O. En effet, toute composition proche de Si 2 N 2 O est particulièrement intéressante car, même en cas de cristallisation, un tel composé présente peu de modifications chimiques et dimensionnelles. A titre d’illustration, le tableau suivant présente des propriétés physico-chimiques de plusieurs oxynitrures de silicium et les compare à d’autre composés similaires : Si 2 N 2 O SiN 1,24 O 0,14 SiN 0,95 O 0,58 Si 3 N 4 Si SiC Module de Young (GPa) 230 252 207 320 160-180 400 Densité 2,81 3,5 2,4 3,27 2,33 3,21 Coefficient dilatation (K -1 ) 3,5.10 -6 5.10 -6 2,6.10 -6 5.10 -6 Point de fusion (°C) ~1600°C 1415°C A partir de ce tableau, on peut constater que les oxynitrure de silicium de Si x N y O z présentent tous une stabilité thermique très supérieure à celle du silicium, et similaire à celle du carbure de silicium. Ils présentent également un coefficient de dilatation bien plus proche de celui du matériau composite à matrice de carbure de silicium, comparativement au silicium. Par ailleurs, ils présentent une excellente résistance à l’oxydation. La sous-couche 3 est préférentiellement déposée par un procédé de dépôt en voie gazeuse, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour l'anglais Chemical Vapor Deposition), ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD pour l'anglais Physical Vapor Deposition ). Des essais en laboratoire ont donné des résultats très satisfaisants avec l’oxynitrure de silicium. Un essai a notamment été réalisé avec une couche d’oxynitrure de silicium Si 2 N 2 O 0,6 amorphe déposée sur un substrat plan par CVD, dont le comportement après un traitement à très haute température a été comparé à un substrat nu en carbure de silicium. Le traitement thermique a été effectué à 1450°C pendant une durée de deux heures. Les résultats de ces essais ont été photographiés, il s’agit des à , où : représente le substrat nu SiC avant traitement thermique ; représente le substrat nu SiC après traitement thermique ; représente la surface du dépôt Si 2 N 2 O 0,6 avant traitement thermique ; et représente la surface du dépôt Si 2 N 2 O 0,6 après traitement thermique. Sur , il apparaît clairement que le substrat nu SiC après traitement thermique présente une forte réorganisation de surface avec recristallisation de SiC, tandis que sur , il apparaît clairement que la surface du dépôt Si2N2O0,6 n’a pas du tout évoluée. La couche de finition 4 comprend préférentiellement un silicate de terre rare. Elle peut être constituée de plusieurs couches. Dans le cas d’une couche de finition 4 multicouches, des couches de di-silicate de terre rare, de mono-silicate de terre rare, voire des couches de barium-strontium-aluminum-silicium (BSAS), notamment de formule Ba 0.75 Sr 0.25 Al 2 Si 2 O 8 , ou encore de mullite peuvent être utilisées. Plusieurs procédés peuvent être mis en œuvre pour le dépôt de ces couches, notamment : projection thermique telle que : la projection plasma atmosphérique (APS, de l’anglais Atmospheric Plasma Spray ), ou la projection plasma sous vide VPS, de l’anglais Vacuum Plasma Spray ), ou la projection plasma de suspension(SPS, de l’anglais Suspension Plasma Spraying ), revêtement au trempé ( dip-coating en anglais), et électrophorèse. L’invention concerne également un ensemble 5 comprenant un élément 2 en matériau composite à matrice céramique et un revêtement 1 selon l’invention recouvrant au moins partiellement ledit élément. Cet ensemble 5 peut être une chambre de combustion, un liner de chambres de combustion, un anneau de turbine haute pression, un distributeur haute pression, une aube de turbine haute pression ou une aube de turbine basse pression. Il équipe préférentiellement un aéronef. Revêtement (1) pour composite à matrice céramique, comprenant une première couche, dite sous-couche (3), et une seconde couche, dite couche de finition (4), ledit revêtement (1) étant caractérisé en ce que la sous-couche (3) comprend un oxynitrure de silicium de formule Si x N y O z . Revêtement (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formule de l’oxynitrure de silicium est SiN ( 4/3)w O 2 (1-w) , avec 0 ≤ w ≤ 1, x=1, y=(4/3)w et z=2(1-w). Revêtement (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’oxynitrure de silicium est de formule Si 2 N 2 O. Revêtement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de finition (4) comprend une ou plusieurs couches choisies parmi : une couche de silicate de terre rare, une couche de di-silicate de terre rare, une couche de mono-silicate de terre rare, une couche de barium-strontium-aluminum-silicium et une couche de mullite. Procédé de fabrication du revêtement (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sous-couche (3) est déposée par un procédé de dépôt en voie gazeuse. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la sous-couche (3) est déposée par l’un des procédés suivants : dépôt chimique en phase vapeur, dépôt physique en phase vapeur. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la couche de finition (4) est déposée par l’un des procédés suivants : projection thermique, revêtement au trempé, et électrophorèse. Ensemble (5) comprenant un élément (2) en matériau composite à matrice céramique et un revêtement (1) recouvrant au moins partiellement ledit élément, caractérisé en ce que le revêtement (1) est un revêtement (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4. Ensemble (5) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il s’agit d’une chambre de combustion, d’un liner de chambres de combustion, d’un anneau de turbine haute pression, d’un distributeur haute pression, d’une aube de turbine haute pression ou d’une aube de turbine basse pression. Aéronef équipé d’un ensemble (5) selon la revendication 8 ou 9.