Brevet FR3147296A1 — publié le 20241004

La présente invention concerne une pièce de turbomachine comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium. Cette pièce comprend en outre sur la couche de silicium un empilement composé d’au moins deux couches de céramique d’au moins une couche électriquement conductrice, la ou les couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique, et chaque couche de céramique présentant une épaisseur inférieure à 20 µm. La présente invention concerne également un procédé de revêtement d’une pièce turbomachine. FIG. 1 Réalisation d’une couche barrière environnementale par voie électrophorétique La présente invention se rapporte au domaine général des revêtements de protection utilisés pour des pièces dans des environnements à haute température telles que les pièces utilisées dans des parties chaudes des turbomachines aéronautiques ou terrestres. État de la technique Les composites à matrice céramique (CMC) à base carbure (généralement dénommés « SiC/SiC ») sont aujourd’hui utilisés pour la réalisation de pièces pour turbomoteur haute et basse pression, dans le but de diminuer, voire éliminer, le débit de refroidissement classiquement utilisé dans la conception de pièces métalliques en alliage à base nickel (Ni). Ce bénéfice est lié à la réfractivité intrinsèque des céramiques SiC, autorisant un accroissement des températures de fonctionnement des turbines tout en diminuant la consommation spécifique (Cs) du moteur (conséquence de la diminution de prélèvement d’air de refroidissement). Cependant, dans un environnement oxydant et/ou corrosif dans lequel évolue une turbine, les CMC SiC/SiC sont soumis à un phénomène de corrosion et/ou de récession non passivante qui résulte de l’oxydation conduisant à la formation de SiO 2 et de la volatilisation de cet oxyde en présence d’eau. Ainsi, pour des applications haute température en environnement oxydant en présence d’eau, l’application d’un revêtement protecteur sur les CMC SiC/SiC est nécessaire. Le revêtement protecteur appliqué est généralement nommé « barrière environnementale » (EBC – de l’anglais Environmental Barrier Coatings ) et est composé d’une couche de liaison ( bond-coat en anglais) généralement à base de silicium, ainsi que d’une couche assurant la protection contre la corrosion. Cette dernière couche de protection (généralement appelée en anglais top coat ) contre la corrosion est en silicate de terre rare. Le revêtement doit répondre à un certain nombre de contraintes : - un coefficient de dilatation compatible avec celui du substrat en CMC, - une faible perméabilité aux espèces oxydantes et/ou corrosives, - une stabilité thermomécanique aux températures de fonctionnement de la pièce et - une très bonne résistance aux aluminosilicates de calcium magnésium (CMAS – de l’anglais calcium magnesium aluminosilicates ). La faible perméabilité aux espèces oxydantes et/ou corrosives concerne à la fois la diffusion moléculaire liée directement au paramètre physique d’herméticité et la diffusion des espèces ioniques O 2– et HO – , caractéristiques intrinsèques des silicates de terre rare. Parmi les pièces céramisables apportant le plus grand bénéfice en termes d’économie de Cs, on peut citer les aubes (notamment mobiles) de turbines et les distributeurs. Cependant, la conception de telles pièces en CMC présente plusieurs défis techniques : - elles sont soumises à de fortes sollicitations thermomécaniques associées à un environnement chimique particulièrement sévère ; - elles présentent souvent des formes géométriques complexes ; - leur cadence de production notamment en ce qui concerne la production pour l’aéronautique civil est très soutenue. L’environnement chimique particulièrement sévère est généralement dû à la présence de dioxygène (O 2 ), d’eau (H 2 O) et de CMAS. Les CMAS sont notamment présents sous forme de sable qui peut être aspiré par le moteur lorsque l’appareil survole certaines régions désertiques du globe telles que le Sahara, la Chine et l’Inde. Les formes géométriques complexes sont notamment dues au fait que les pièces sont constituées de plusieurs sous-ensembles associés à des fonctions propres, à la présence de bords d’attaque et de bords de fuite. Les EBC appliquées à ces pièces, outre leurs performances fonctionnelles propres, doivent satisfaire l’ensemble de ces exigences. Entre autres, s’agissant de pièces avec bord d’attaque et/ou bord de fuite dont les performances aérodynamiques sont directement liées à l’épaisseur de ces parties, et en particulier du bord de fuite, le procédé de dépôt d’EBC doit être compatible avec la réalisation de très fines épaisseurs (par exemple inférieures à 150 µm, typiquement comprise entre 50 et 75 µm) tout en préservant la capacité protectrice du CMC. Les EBC actuellement développées sont composées de : - une couche de liaison en silicium ; et - une couche de protection en disilicate de terre rare. La couche de liaison a pour fonction principale la protection contre l’oxydation et/ou la corrosion et de favoriser l’accrochage de la couche de protection. Lors d’un traitement de stabilisation de l’EBC, une couche de silice (aussi appelée « oxyde crû thermiquement » ou TGO pour l’anglais Thermally Grown Oxide ) passivante se forme permettant d’apporter une protection contre l’oxydation du CMC SiC/SiC. Cette couche de silice peut également donner lieu à une croissance continue en fonctionnement, en lien avec le niveau d’herméticité de l’EBC. Le disilicate de terre rare a pour formule RE 2 Si 2 O 7 , où RE désigne la terre rare. Généralement, la terre rare est de l’yttrium (Y), de l’ytterbium (Yb) ou encore de l’yttrium-ytterbium (YYb). La couche de disilicate de terre rare fait barrière contre la diffusion des espèces oxydantes et protège le CMC contre la corrosion à haute température. Pour répondre aux exigences dimensionnelles, la couche de liaison en silicium est généralement élaborée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour l’anglais chemical vapour deposition ) et la couche de disilicate de terre rare par voie liquide, en particulier par électrophorèse. Ces deux procédés ont l’avantage d’être non-directifs ; ils sont ainsi adaptés aux formes complexes. Ils permettent de déposer des épaisseurs d’une dizaine de micromètres. Le procédé de dépôt par électrophorèse consiste à immerger une pièce dans une suspension de poudre de céramique. Une contre-électrode est disposée en vis-à-vis de la pièce à revêtir. Un champ électrique est appliqué entre la contre-électrode et la pièce. Sous l’action de ce champ électrique, les particules de céramique contenues dans la suspension migrent et se déposent sur la pièce à revêtir. Néanmoins, dans le cadre des EBC, la poudre utilisée qui est une poudre de disilicate de terre rare mène à la formation d’un dépôt en céramique isolant électriquement. Ainsi, à partir d’une certaine épaisseur (de l’ordre de quelques dizaines de µm), le pouvoir isolant est tel qu’il ne permet plus une croissance efficace de la couche de disilicate de terre rare limitant ainsi son épaisseur. D’autres procédés de dépôt de silicate de terre rare par voie liquide existent. On peut citer par exemple, le pistolage, l’enduction par trempage ( dip coating en anglais) et l’enduction centrifuge ( spin coating en anglais). Néanmoins, ces procédés sont peu adaptables à des pièces de formes complexes. Par conséquent, la possibilité d’épaissir la couche de protection en disilicate de terre rare reste un besoin non satisfait. Résumé La présente invention a donc pour but d’augmenter l’épaisseur de la couche de protection en disilicate de terre rare déposée sur une pièce en CMC par voie électrophorétique. Ainsi, la présente invention propose une pièce de turbomachine comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre sur la couche de silicium un empilement composé d’au moins deux couches de céramique d’au moins une couche électriquement conductrice, la ou les couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique, et chaque couche de céramique présentant une épaisseur inférieure à 20 µm. L’une desdites couches électriquement conductrices peut être la dernière couche de l’empilement. La couche de céramique peut être en un monosilicate de terre rare ou en un disilicate de terre rare, de préférence la terre rare est l’yttrium, l’ytterbium ou l’yttrium-ytterbium. Le matériau des couches électriquement conductrices peut être choisi dans le groupe constitué des métaux nobles et des alliages comprenant au moins un métal noble, des disiliciures métalliques et du silicium. L’épaisseur additionnée des couches de céramique peut être supérieure à 20 µm. La présente invention propose également un procédé de revêtement d’une pièce de turbomachine à partir d’une pièce intermédiaire comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium, la pièce de turbomachine comprenant au moins deux couches de céramique, chacune d’une épaisseur inférieure à 20 µm, le procédé comprenant : - la formation des deux couches de céramique ; et - la formation d’au moins une couche électriquement conductrice ; la ou des couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique. La dernière couche formée peut être l’une desdites couches électriquement conductrices. La formation de la ou des couches de céramique peut être réalisée par électrophorèse. La formation de la ou des couches électriquement conductrices peut être réalisée par voie sèche tels que le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt chimique en phase vapeur ou l’impression jet d’encre. Le procédé peut comprendre en outre le frittage de la pièce intermédiaire après la formation de chaque couche de céramique. Par l’ajout d’une ou de plusieurs couches électriquement conductrices, il est possible de déposer des couches additionnelles de disilicate de terre rare. Description des figures D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : est une représentation schématique d’une coupe d’une portion d’un exemple de pièce turbomachine selon l’invention laissant voir les différentes couches de celle-ci, une couche de céramique étant la dernière couche formée. est une représentation schématique d’une coupe d’une portion d’un autre exemple de pièce turbomachine selon l’invention laissant voir les différentes couches de celle-ci, une couche électriquement conductrice étant la dernière couche formée. est un organigramme illustrant le procédé de revêtement selon l’invention. est un organigramme illustrant un exemple de formation d’une couche de céramique pouvant être utilisé dans le procédé de revêtement de la . Description détaillée de l’invention L'invention s'applique d'une manière générale à toute pièce de turbomachine recouverte d’un revêtement protecteur dont la couche de protection est déposée par électrophorèse bien que la description qui suit est illustrée par une telle pièce comprenant un substrat en un composite à matrice céramique en référence aux figures 1 et 2. Le substrat 11 de cette pièce 1 est revêtu d’une couche de silicium 121 . L’épaisseur maximale de la couche de silicium 121 peut être de 1 µm à 100 µm. Dans certain cas (typiquement pour un dépôt par CVD), elle est de préférence de 1 µm à 50 µm. Dans d’autres cas (typiquement pour un dépôt par projection plasma), elle est de préférence de 50 µm à 100 µm. Dans la présente demande, l’épaisseur maximale est comprise comme désignant l’épaisseur d’une couche ou d’un empilement de couches à l’endroit où elle est la plus grande. Le substrat 11 de la pièce peut être entièrement revêtu de la couche de silicium 121 ou seulement partiellement revêtu. La pièce comprend en outre, sur la couche de silicium 121 , un empilement composé d’au moins deux couches de céramique 122 et d’au moins une couche électriquement conductrice 123 , la ou les couches électriquement conductrices 123 alternant avec les couches de céramique 122 . Dans certains cas, une couche de céramique 122 est au contact de la couche de silicium 121 . L’empilement et la couche de silicium 121 forment ensemble un revêtement barrière environnementale 12 pour le substrat 11 . De préférence, une couche électriquement conductrice 123 est la dernière couche de l’empilement en partant de la couche de silicium 121 comme illustré sur la . L’empilement peut recouvrir toute la surface de la couche de silicium 121 ou seulement une partie de celle-ci. De manière générale, si n est le nombre de couches de céramique 122 et m le nombre de couches électriquement conductrices 123 , alors on a la relation Math. 1 si la dernière couche est une couche électriquement conductrice 123 ( ) et Math. 2 si la dernière couche est une couche de céramique 122 ( ). [Math. 1] m = n [Math. 2] m = n - 1 Par exemple, la pièce 1 comprend sur la couche de silicium 121, dans l’ordre à partir de cette dernière, une première couche de céramique 122 , une couche électriquement conductrice 123 et une deuxième couche de céramique 122 satisfaisant la formule Math. 2 et illustré par la . Dans un autre exemple, une deuxième couche électriquement conductrice 123 est ajoutée sur la deuxième couche de céramique 122 satisfaisant la formule Math. 1, cet exemple est illustré par la . D’autres exemples sont des empilements où n = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, etc. De manière générale, la céramique des couches de céramique 122 est une céramique déposable par dépôt électrophorétique. On peut citer parmi ces céramiques déposables les silicates de terre rare par exemple les monosilicates de terre rare et les disilicates de terre rare. Les monosilicates de terre rare sont de formule RE 1 RE 2 SiO 5 (où RE 1 et RE 2 représentent chacun une terre rare, RE 1 et RE 2 pouvant être ou non la même terre rare). Les disilicates de terre rare sont de formule RE 1 RE 2 Si 2 O 7 . Chacun des RE 1 et RE 2 peut être indépendamment choisie dans le groupe constitué de : l’yttrium (Y), le lanthane (La), le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd), le prométhium (Pm), le samarium (Sm), l’europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l’holmium (Ho), l’erbium (Er), le thulium (Tm), l’ytterbium (Yb) et le lutécium (Lu). Parmi ces terres rares, Y et Yb sont préférés. Ainsi, on peut citer les silicates préférés suivants : le monosilicate d’yttrium (Y 2 SiO 5 ou YMS pour l’anglais yttrium monosilicate ), le monosilicate d’ytterbium (Yb 2 SiO 5 ou YbMS pour ytterbium monosilicate ), le monosilicate d’yttrium-ytterbium (YYbSiO 5 ou YYbMS pour yttrium-ytterbium monosilicate ), le disilicate d’yttrium (Y 2 Si 2 O 7 ou YDS pour yttrium disilicate ), le disilicate d’ytterbium (Yb 2 Si 2 O 7 ou YbDS pour ytterbium disilicate ) et le disilicate d’yttrium-ytterbium (YYbSi 2 O 7 ou YYbDS pour yttrium-ytterbium disilicate ). Le même silicate de terre rare peut être utilisé pour toutes les couches de céramique 22 ou différents silicates de terre rare peuvent être utilisé pour les couches de céramique 22 . Dans un mode de réalisation, une alternance entre deux silicates de terre rare d’une couche de céramique 22 à l’autre est utilisée, par exemple entre un disilicate de terre rare et un monosilicate de terre rare, typiquement un disilicate d’ytterbium et un monosilicate d’yttrium. Chaque couche électriquement conductrice 123 permet, malgré la couche de céramique 122 isolante électriquement, de poursuivre le dépôt électrophorétique, en rendant la pièce intermédiaire à nouveau conductrice électriquement. Elle permet ainsi l’augmentation de l’épaisseur additionnée des couches de céramique 122 . A ce sujet, on pourra noter qu’il est en général souhaitable de limiter l’épaisseur de chaque couche de céramique déposée, par exemple à une valeur comprise entre 40 et 60 µm avant frittage (conduisant à une épaisseur après frittage inférieure à 20 µm) pour éviter des phénomènes d’éclatement lors du frittage. Or, lors du frittage, la couche de céramique devient encore plus isolante électriquement. Il n’est donc plus possible, après avoir réalisé une première couche de céramique (relativement fine), et après l’avoir frittée, de déposer à nouveau par électrophorèse une deuxième couche de céramique, directement sur la première couche (puisque la première couche est très isolante), dans le but d’obtenir une épaisseur totale plus importante. La présente technologie permet justement, par l’ajout de la couche électriquement conductrice 123 , de déposer la deuxième couche de céramique 122 par électrophorèse, et d’obtenir ainsi une barrière environnementale plus épaisse. De préférence, l’épaisseur additionnée maximale des couches de céramique 122 est supérieure à 20 µm. Ces valeurs d’épaisseur sont données pour une pièce après frittage. Le matériau de la ou des couches électriquement conductrices 123 est de préférence choisi dans le groupe constitué des métaux nobles, des alliages comprenant au moins un métal noble, des disiliciures métalliques et du silicium. Les métaux nobles – qui, pour cette application, ont l’avantage d’être peu sensibles à la corrosion – sont au nombre de huit : l’or (Au), l’argent (Ag), le ruthénium (Ru), le rhodium (Rh), le palladium (Pd), l’osmium (Os), l’iridium (Ir) et le platine (Pt). Un métal noble particulièrement adapté est le platine qui a l’avantage d’avoir une température de fusion élevée et notamment comparable ou même supérieure aux températures maximales supportées par des couches en silicium ou en silicate de terre rare. Un alliage de platine et d’or est également bien adapté. Parmi les disiliciures métalliques, on peut citer le disiliciure d’yttrium (Y 2 Si 2 ), le disiliciure d’ytterbium (Yb 2 Si 2 ), le disiliciure d’yttrium-ytterbium (YYbSi 2 ), le disiliciure de titane (TiSi 2 ) et le disiliciure de zirconium (ZrSi 2 ). Lorsque la dernière couche est une couche électriquement conductrice 123 en un métal noble ou un alliage comprenant un métal noble, cette dernière couche présente une propriété anti-mouillage particulièrement efficace contre les attaques de CMAS. Lorsque la dernière couche est une couche électriquement conductrice 123 en un disiliciure métallique de terre rare, du disilicate de terre rare peut se former lors du frittage avec l’apport d’oxygène ce qui est plus compatible chimiquement avec les couches de céramique 122 en silicate de terre rare. Chaque couche électriquement conductrice 123 peut présenter une épaisseur maximale de 1 à 5 µm ; cette épaisseur maximale pouvant aller jusqu’à 10 µm lorsque la couche est la dernière couche de l’empilement. L’épaisseur maximale de l’empilement peut être de 20 µm à 300 µm, de préférence de 20 µm à 200 µm notamment pour un distributeur. L’épaisseur maximale de l’empilement peut être de 20 µm à 150 µm, notamment pour une aube mobile. Le composite à matrice céramique du substrat 11 peut être à base carbure (SiC/SiC) Un procédé de revêtement d’une telle pièce pour turbomachine est décrit ci-après en référence avec les figures 3 et 4. Ce procédé est mis en œuvre à partir d’une pièce intermédiaire comprenant un substrat 11 en composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium 121 . Le procédé comprend la formation S100 d’au moins deux couches de céramique 122 dont une pouvant être agencée sur la couche de silicium 121 et la formation S200 d’au moins une couche électriquement conductrice 123 . La ou des couches électriquement conductrices 123 alternent avec les couches de céramique 122 . Le nombre de fois n où la formation S100 d’une couche de céramique 122 est réalisée et le nombre de fois m où la formation S200 d’une couche électriquement conductrice est réalisée répondent à la formule Math. 1 ou à la formule Math. 2 ci-dessus. Sur la , la sortie par A correspond au cas où la dernière couche formée est une couche de céramique (Math. 2) ; la sortie par B correspond au cas où la dernière couche formée est une couche de céramique (Math. 1). La formation S100 de la ou des couches de céramique peut comprendre le dépôt électrophorétique S110 de céramique sur la couche précédente. À titre d’exemple, le dépôt électrophorétique S110 peut être réalisé à une tension comprise entre 50 V et 150 V. De même, le dépôt électrophorétique S110 peut durer de 30 sec à 5 min. De manière générale, la tension et/ou la durée sont plus élevées pour la deuxième couche de céramique et les suivantes que pour la première couche de céramique. La poudre de céramique utilisée pour le dépôt électrophorétique S110 peut présenter une granulométrie mesurée par diffraction laser comprise entre 0,1 µm et 2,5 µm, de préférence entre 0,2 µm et 2 µm. Ces valeurs correspondent au diamètre moyen d50 représentant la valeur moyenne de la gaussienne de distribution. Une telle dimension permet avantageusement d’améliorer la compacité de la couche céramique déposée, notamment lorsque celle-ci doit être fritté par la suite, pour limiter la génération de contraintes pendant le frittage et ainsi la fissuration de la couche. La formation S100 de la ou des couches de céramique peut comprendre en outre le frittage S120 de la couche de céramique déposée ( ), notamment après chaque dépôt électrophorétique S110 . La température de frittage peut être comprise entre 1200°C et 1350°C. La durée de frittage peut être comprise entre 5 hr et 20 hr. Avant le frittage S120 , la couche de céramique peut comprendre une épaisseur inférieure à 100 µm, et de préférence inférieure à 50 µm. Il en résulte que la couche céramique obtenue après frittage comprend une épaisseur inférieure à 20 µm. La formation S2 00 de la ou des couches électriquement conductrices peut être réalisée par voie sèche tels que le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt chimique en phase vapeur ou l’impression jet d’encre. Le procédé peut comprendre en outre le frittage S300 de la pièce intermédiaire revêtue après la formation S100 , S200 de toutes les couches de céramique et les couches électriquement conductrices. Après frittage, la taille des grains mesurées des couches de céramique mesurée par imagerie par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD de l’anglais Electron Backscatter Diffraction ) est de préférence comprise entre 5 et 20µm. Pièce de turbomachine comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre sur la couche de silicium un empilement composé d’au moins deux couches de céramique d’au moins une couche électriquement conductrice, la ou les couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique, et chaque couche de céramique présentant une épaisseur inférieure à 20 µm. Pièce selon la revendication 1, dans laquelle l’une desdites couches électriquement conductrices est la dernière couche de l’empilement. Pièce selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle la couche de céramique est en un monosilicate de terre rare ou en un disilicate de terre rare, de préférence la terre rare est l’yttrium, l’ytterbium ou l’yttrium-ytterbium. Pièce selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le matériau des couches électriquement conductrices est choisi dans le groupe constitué des métaux nobles et des alliages comprenant au moins un métal noble, des disiliciures métalliques et du silicium. Pièce selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle l’épaisseur additionnée des couches de céramique est supérieure à 20 µm. Procédé de revêtement d’une pièce de turbomachine à partir d’une pièce intermédiaire comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium, la pièce de turbomachine comprenant au moins deux couches de céramique, chacune d’une épaisseur inférieure à 20 µm, le procédé comprenant : - la formation des deux couches de céramique ; et - la formation d’au moins une couche électriquement conductrice ; la ou des couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la dernière couche formée est l’une desdites couches électriquement conductrices. Procédé selon l’une des revendications 6 ou 7, dans lequel la formation de la ou des couches de céramique est réalisée par électrophorèse. Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel la formation de la ou des couches électriquement conductrices est réalisée par voie sèche tels que le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt chimique en phase vapeur ou l’impression jet d’encre. Procédé selon l’une des revendications 6 à 9, comprenant en outre le frittage de la pièce intermédiaire après la formation de chaque couche de céramique.