Brevet FR3142473A1 — publié le 20240531

L'invention porte sur un procédé de décapage d'une barrière environnementale (13) déposée sur une pièce (10) composite comportant successivement: - un substrat (11) en matériau composite à matrice céramique, - une couche de liaison (12) en silicium, - une couche de silice protectrice (12.1), et - une couche de barrière environnementale (13), - ledit procédé de décapage comportant: - une étape de fissuration de la couche de barrière environnementale (13) jusqu'à la couche de silice protectrice (12.1), puis - une étape de dissolution de la couche de silice protectrice (12.1). Figure 2 PROCÉDÉ DE DÉCAPAGE D'UNE BARRIÈRE ENVIRONNEMENTALE RECOUVRANT UNE PIÈCE EN MATÉRIAU COMPOSITE La présente invention porte sur un procédé de décapage d'une barrière environnementale recouvrant une pièce en matériau composite. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC) intégrées dans une turbomachine d'aéronef. Le souci d'améliorer le rendement et de réduire les émissions polluantes des turbomachines d'aéronef conduit à envisager des températures toujours plus élevées dans les chambres de combustion. Il a donc été proposé de remplacer les matériaux métalliques par des matériaux CMC, notamment pour des parois de chambres de combustion, anneaux ou aubes de turbine ou encore pour des distributeurs. 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. Les matériaux CMC comportent 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 SiC. 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 d'un matériau CMC résulte de l'oxydation du SiC 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 matériau 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 revêtements de barrière environnementale. Ainsi, un substrat en matériau composite à matrice céramique (CMC) est recouvert d'une couche de liaison en silicium. La couche de liaison est elle-même recouverte par une barrière environnementale (dite "EBC" pour "Environmental Barrier Coating" selon la terminologie anglo-saxone). La barrière environnementale peut être une couche de silicate de terre rare. Lors du fonctionnement de la turbomachine, une couche de silice protectrice se forme entre la couche de liaison en silicium et la barrière environnementale (par oxydation d’une partie de la couche de liaison). La couche de liaison permet, d'une part, d'améliorer l'accroche de la barrière environnementale et, d'autre part, de former en fonctionnement la couche de silice protectrice, dont la faible perméabilité à l'oxygène participe à la protection du substrat en CMC contre l'oxydation. La barrière environnementale permet de limiter la diffusion de la vapeur d'eau vers la couche de silice protectrice formée par oxydation du silicium de la couche de liaison, et par conséquent de limiter la récession de celle-ci. En service, les pièces en CMC de la turbomachine peuvent subir diverses sollicitations (érosion importante, impact avec des projectiles), ce qui provoque l’écaillage d’une partie de la barrière environnementale. Afin de réparer la barrière environnementale, il est nécessaire de la décaper sur l’ensemble de la pièce puis de redéposer un revêtement conforme. Un décapage par bain (acide ou basique) peut dissoudre la barrière environnementale mais ce bain endommage de manière importante un matériau d'interphase du CMC (lorsqu’un tel matériau d’interphase est employé), comme par exemple le nitrure de bore qui joue le rôle de fusible mécanique, ainsi que le silicium libre présent dans le substrat et les fibres du matériau CMC. Un sablage peut également être envisagé mais cette technique ne permet pas de décaper la couche EBC sans risquer d’endommager le substrat sous-jacent, car cette couche est de faible épaisseur (comme cela est souvent le cas pour les couches de protection, dans le domaine aéronautique). L’invention vise à remédier efficacement aux inconvénients précités en proposant un procédé de décapage d'une barrière environnementale déposée sur une pièce composite comportant successivement: - un substrat en matériau composite à matrice céramique, - une couche de liaison en silicium, - une couche de silice protectrice, et - une couche de barrière environnementale, - ledit procédé de décapage comporte: - une étape de fissuration de la couche de barrière environnementale jusqu'à la couche de silice protectrice, puis - une étape de dissolution de la couche de silice protectrice. L'invention permet ainsi grâce à la fissuration de la barrière environnementale d'autoriser la pénétration d'un fluide de dissolution jusqu'à la couche de silice protectrice pour la dissoudre. Une fois que la couche de silice protectrice est dissoute, la couche de barrière environnementale n'a plus aucune tenue mécanique avec le substrat et est donc facilement détachable. L'invention présente l'avantage de pouvoir retirer la barrière environnementale sans détériorer le substrat en matériau composite à matrice céramique. Selon une mise en œuvre de l'invention, l'étape de fissuration de la couche de barrière environnementale est effectuée par application de chocs laser sur la couche de barrière environnementale. Selon une mise en œuvre de l'invention, les chocs laser sont obtenus par une alternance répétée d'une première séquence au cours de laquelle un laser dirigé vers la face externe de la couche de barrière environnementale est allumé pendant une première durée prédéterminée et d'une deuxième séquence au cours de laquelle le laser est éteint pendant une deuxième durée prédéterminée. Selon une mise en œuvre de l'invention, les chocs laser ont une puissance calorimétrique comprise entre 500 Watts et 2000 Watts. Selon une mise en œuvre de l'invention, les chocs laser ont une longueur d'onde comprise entre 900nm et 1500nm. Selon une mise en œuvre de l'invention, l'étape de dissolution de la couche de silice protectrice est effectuée par un bain d'acide. Selon une mise en œuvre de l'invention, le bain d'acide est un bain d'acide fluorhydrique. Selon une mise en œuvre de l'invention, le bain d'acide a une concentration en acide comprise entre 10g/L et 20g/L et vaut de préférence 15g/L. Selon une mise en œuvre de l'invention, le bain d'acide a une température comprise entre 20°C et 40°C et vaut de préférence 30°C. Selon une mise en œuvre de l'invention, le bain d'acide a une durée de plusieurs jours, notamment une semaine. Selon une mise en œuvre de l'invention, l'étape de dissolution de la couche de silice protectrice est effectuée par un fluide dans un état supercritique choisi parmi de l'eau, du dioxyde de carbone, de l'oxygène, ou du peroxyde d’hydrogène. Selon une mise en œuvre de l'invention, la couche de barrière environnementale est une couche de silicate de terre rare. Selon une mise en œuvre de l'invention, l'ensemble des couches déposées sur le substrat présente une épaisseur totale inférieure à 100 micromètres. La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentées à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles: La est une vue en coupe schématique d'une pièce en composite à matrice céramique (CMC) recouverte par une couche de barrière environnementale; La est une vue en coupe schématique illustrant la fissuration de la couche de barrière environnementale après application de chocs lasers; La est une vue en coupe schématique illustrant la dissolution de la couche de silice protectrice. Il est à noter que les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. La montre une pièce 10 qui peut typiquement être un anneau de turbine, une aube d'une turbomachine ou une portion de distributeur. Il s’agit d’une pièce de turbomachine destinée à être au contact des gaz chauds circulant dans la turbomachine. La pièce 10 comporte un substrat 11 réalisé dans un matériau composite à matrice céramique (CMC). Le substrat 11 comporte une matrice en matériau céramique à base de silicium et un renfort fibreux pouvant être en fibres de carbone (C) ou en fibres céramiques, tel que du carbure de silicium (SiC). Les fibres peuvent également être des fibres d'oxyde d'aluminium ou alumine (Al2O3), ou des cristaux mixtes d'alumine et d'oxyde de silicium ou silice (SiO2) telle que la mullite (3Al2O3, 2SiO2). La matrice est avantageusement en carbure de silicium SiC ou en tout mélange comportant du carbure de silicium. Les composites SiC-SiC à fibres à carbure de silicium et matrice de carbure de silicium sont particulièrement intéressants pour les applications aéronautiques compte tenu de leur stabilité thermique, mécanique et chimique élevée et de leur rapport résistance / poids élevé. Ces composites peuvent utiliser du pyrocarbone (ou PyC) ou du nitrure de bore (BN) comme matériau d'interphase. Différentes techniques sont envisageables pour la fabrication d'une pièce 10 en matériau composite à matrice en céramique. Notamment, selon une première technique, la pièce 10 en matériau CMC peut être réalisée à partir d'une préforme fibreuses en texture fibreuse tissée. Cette préforme fibreuse est consolidée et densifiée par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI pour "Chemical Vapor Infiltration" selon la terminologie anglosaxonne). En variante, la préforme peut être en strates fibreuses à base de carbure de silicium, les fibres de ladite préforme étant revêtue par CVI d'une couche de nitrure de bore surmontée d'une couche de carbone ou de carbure, notamment de carbure de silicium. Le substrat 11 en matériau composite à matrice céramique (CMC) est recouvert d'une couche de liaison 12 en silicium. La couche de liaison 12 est recouverte par une couche de barrière environnementale 13 (dite EBC pour "Environmental Barrier Coating" selon la terminologie anglo-saxone). La barrière environnementale 13 peut être une couche de silicate de terre rare. La barrière environnementale 13 est de préférence constituée d’un oxyde mixte de type RE2Si2O7 (RE : Terre rare). Lors du fonctionnement de la turbomachine, une couche de silice protectrice 12.1 se forme entre la couche de liaison 12 en silicium et la barrière environnementale 13. La couche de liaison 12 permet, d'une part, d'améliorer l'accroche de la barrière environnementale 13 et, d'autre part, de former en fonctionnement la couche de silice protectrice 12.1, dont la faible perméabilité à l'oxygène participe à la protection du substrat 11 en CMC contre l'oxydation. La barrière environnementale 13 permet de limiter la diffusion de la vapeur d'eau vers la couche de silice 12.1 formée par oxydation du silicium de la couche de liaison 12, et par conséquent de limiter la récession de celle-ci. Avantageusement, l'ensemble des couches déposées sur le substrat 11 (couche de liaison 12, couche de silice 12.1, et couche de barrière environnementale 13) présente une épaisseur E totale inférieure à 100 micromètres. Cela permet notamment, lorsqu’il s’agit d’une aube ou d’une partie de distributeur, de conserver un bord de fuite mince, ce qui intéressant sur le plan aérodynamique. On décrit ci-après, en référence avec les figures 2 et 3, le procédé de décapage de la couche de barrière environnementale 13 de la pièce 10. Comme cela est illustré sur la , le procédé comporte une étape de fissuration de la couche de barrière environnementale 13 jusqu'à la couche de silice 12.1. L'étape de fissuration de la couche de barrière environnementale 13 est de préférence effectuée par application de chocs laser 15 sur la couche de barrière environnementale 13. Les chocs laser 15 sont obtenus par une alternance répétée d'une première séquence au cours de laquelle un laser dirigé vers la face externe de la couche de barrière environnementale 13 est allumé pendant une première durée prédéterminée et d'une deuxième séquence au cours de laquelle le laser est éteint pendant une deuxième durée prédéterminée. La première durée prédéterminée est par exemple égale ou supérieure à 300 secondes. La deuxième durée prédéterminée est par exemple égale ou supérieure à 300 secondes. Ces séquences peuvent être répétées pendant plusieurs heures (en faisant varier le point d’application du laser, sur la pièce). Suivant un exemple de mise en œuvre, les chocs laser 15 ont une puissance calorimétrique comprise entre 500 Watts et 2000 Watts. Les chocs laser 15 ont une longueur d'onde comprise entre 900nm et 1500nm. Les chocs laser 15 pourront être réalisés au moyen d'un laser de type YAG ou de diodes laser. L'application de chocs laser 15 génère ainsi un gradient thermique élevé entre la face externe et la face interne de la couche de barrière environnementale. Ce gradient thermique engendre des contraintes mécaniques importantes qui ont pour effet de créer un réseau de fissures 16 percolant au sein de la couche de barrière environnementale 13. Appliquer puis éteindre le laser plusieurs fois successivement, au point d’application considéré, favorise la fissuration du fait de la répétition de cette dilatation différentielle imposée à la couche de barrière environnementale. Comme cela est illustré sur la , le procédé comporte en outre une étape de dissolution de la couche de silice 12.1 protectrice par un fluide de dissolution. L'étape de dissolution de la couche de silice 12.1 protectrice peut être effectuée par un bain d'acide. Le bain d'acide est de préférence un bain d'acide fluorhydrique. Le bain d'acide a une concentration en acide comprise par exemple entre 10g/L et 20g/L et vaut de préférence 15g/L. Le bain d'acide a une température comprise par exemple entre 20°C et 40°C et vaut de préférence 30°C. Le bain d'acide a une durée de plusieurs jours, notamment une semaine. En effet, la silice située sous la couche fissurée de barrière environnementale 13 est difficilement accessible via les fissures 16. La durée du bain dans le cadre du procédé selon l'invention est donc considérablement augmentée par rapport à la durée utile nécessaire pour dissoudre une couche de silice accessible qui est généralement de quelques heures uniquement. Avantageusement, afin d'améliorer l'efficacité du bain, il est possible de prévoir un bullage par injection d'un gaz, tel que de l'oxygène dans le bain. Alternativement, la dissolution de la couche de silice 12.1 protectrice est effectuée par un fluide dans un état supercritique (à une température et une pression supérieures à celles du point critique de ce fluide), tel que de l'eau (H 2 O) à une température de l'ordre de 374°C ou plus et une pression de l'ordre de 2,2*10 7 Pascals ou plus. L'eau réagit alors avec la silice SiO 2 pour former des hydroxydes de silicium Si(OH)4. Alternativement, le fluide dans un état supercritique peut être du dioxyde de carbone (CO 2 ), de l'oxygène (O 2 ), ou du peroxyde d’hydrogène (H2O2). Une fois que la couche de silice 12.1 protectrice est dissoute, la couche de barrière environnementale 13 n'a plus aucune tenue mécanique avec le substrat 11 et est donc facilement détachable. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que peut envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association. Procédé de décapage d'une barrière environnementale (13) déposée sur une pièce (10) composite comportant successivement: - un substrat (11) en matériau composite à matrice céramique (CMC), - une couche de liaison (12) en silicium, - une couche de silice protectrice (12.1), et - une couche de barrière environnementale (13), caractérisé en ce que ledit procédé de décapage comporte: - une étape de fissuration de la couche de barrière environnementale (13) jusqu'à la couche de silice protectrice (12.1), puis - une étape de dissolution de la couche de silice protectrice (12.1). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de fissuration de la couche de barrière environnementale (13) est effectuée par application de chocs laser (15) sur la couche de barrière environnementale (13). Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les chocs laser (15) sont obtenus par une alternance répétée d'une première séquence au cours de laquelle un laser dirigé vers la face externe de la couche de barrière environnementale (13) est allumé pendant une première durée prédéterminée et d'une deuxième séquence au cours de laquelle le laser est éteint pendant une deuxième durée prédéterminée. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les chocs laser (15) ont une puissance calorimétrique comprise entre 500 Watts et 2000 Watts. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les chocs laser (15) ont une longueur d'onde comprise entre 900nm et 1500nm. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de dissolution de la couche de silice (12.1) protectrice est effectuée par un bain d'acide. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bain d'acide est un bain d'acide fluorhydrique. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le bain d'acide a une concentration en acide comprise entre 10g/L et 20g/L et vaut de préférence 15g/L. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le bain d'acide a une température comprise entre 20°C et 40°C et vaut de préférence 30°C. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le bain d'acide a une durée de plusieurs jours, notamment une semaine. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de dissolution de la couche de silice (12.1) protectrice est effectuée par un fluide dans un état supercritique choisi parmi de l'eau, du dioxyde de carbone, de l'oxygène, ou du peroxyde d’hydrogène. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la couche de barrière environnementale (13) est une couche de silicate de terre rare. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'ensemble des couches déposées sur le substrat (11) présente une épaisseur (E) totale inférieure à 100 micromètres.