Brevet FR3161431A1 — publié le 20251024

Procédé de fabrication d’une barrière environnementale cristallisée nativement dans une forme thermodynamiquement stable La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce (1) à résistance améliorée à l’oxydation et à la corrosion à haute température, comprenant au moins le dépôt d’une couche (7) de barrière environnementale cristalline de β-Yb 2 Si 2 O 7 non fissurée sur un matériau (3) composite à matrice au moins partiellement en céramique, ladite couche de barrière environnementale étant déposée par dépôt chimique en phase vapeur à partir d’une phase gazeuse comprenant un mélange précurseur de (a) tétrachlorure de silicium, et (b) d’ytterbium élémentaire ou de chlorure d’ytterbium (III), et en imposant durant le dépôt une température comprise entre 1100°C et 1300°C, et une pression inférieure ou égale à 150 mbar. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de fabrication d’une barrière environnementale cristallisée nativement dans une forme thermodynamiquement stable Un domaine particulier d'application de l'invention est la protection de matériaux composites à matrice au moins partiellement en céramique (« matériaux CMC ») formant des parties chaudes de turbines à gaz, telles que des distributeurs de turbine ou des aubes de turbines, pour des moteurs aéronautiques ou des turbines industrielles. L’amélioration du rendement et la réduction des émissions polluantes 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. 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 peuvent comporter 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. 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 du CMC résulte de l’oxydation du carbure de silicium 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 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 barrières environnementales (« Environmental Barrier Coating » ; « EBC »). Les barrières environnementales peuvent comporter une couche de liaison en silicium ainsi qu’une couche de silicate de terre rare positionnée sur la couche de liaison. La couche de liaison permet, d’une part, d’améliorer l’accroche de la couche de silicate de terre rare et, d’autre part, de former une couche de silice protectrice, dont la faible perméabilité à l’oxygène participe à la protection du CMC contre l’oxydation. La couche de silicate de terre rare permet, quant à elle, de limiter la diffusion de la vapeur d’eau vers la couche de silice formée par oxydation du silicium et par conséquent de limiter la récession de celle-ci. Les barrières environnementales peuvent être déposées par projection thermique. On connait en particulier US2019040761 qui décrit la formation d’une EBC par une telle méthode. Les aubes de turbine et des distributeurs présentent une forme relativement complexe et peuvent nécessiter des barrières environnementales relativement fines pour ne pas affecter les propriétés aérodynamiques, si bien que la projection thermique peut ne pas produire un revêtement répondant aux performances requises. La demande WO2022069812 propose une alternative à la projection thermique en réalisant la barrière environnementale par dépôt chimique en phase vapeur de composé(s) organométallique(s) par injection directe liquide (« Direct Liquid Injection-Metal Organic Chemical Vapor Deposition » ; « DLI-MOCVD »). Cette technique permet d’obtenir une couche dense, de faible épaisseur, avec une composition maîtrisée. Ce document préconise de réaliser, après le dépôt de la barrière environnementale, un traitement thermique de cristallisation à haute température afin de réduire la proportion de phase amorphe présente et éviter ainsi une évolution de la couche en conditions de service. Il est néanmoins possible d’améliorer encore la protection conférée aux matériaux CMC en milieu oxydant et corrosif à haute température, notamment supérieure ou égale à 800°C. Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce à résistance améliorée à l’oxydation et à la corrosion à haute température, comprenant au moins le dépôt d’une couche de barrière environnementale cristalline de β-Yb 2 Si 2 O 7 non fissurée sur un matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, ladite couche de barrière environnementale étant déposée par dépôt chimique en phase vapeur à partir d’une phase gazeuse comprenant un mélange précurseur de (a) tétrachlorure de silicium, et (b) d’ytterbium élémentaire ou de chlorure d’ytterbium (III), et en imposant durant le dépôt une température comprise entre 1100°C et 1300°C, et une pression inférieure ou égale à 150 mbar. L’invention repose sur le fait de déposer, par dépôt chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Deposition » ; « CVD »), une couche de barrière environnementale de composition particulière, en disilicate d’ytterbium Yb 2 Si 2 O 7 , en utilisant des précurseurs particuliers et des conditions de température et de pression maîtrisées de sorte à former, directement lors du dépôt, une couche de barrière environnementale non fissurée et cristallisée nativement dans la forme cristallographique la plus favorable à la tenue de l’EBC en service, en l’occurrence la forme β du disilicate d’ytterbium qui est notée β-Yb 2 Si 2 O 7 . La structure cristallographique du β-Yb 2 Si 2 O 7 présente l’avantage de ne pas évoluer en service sous l’effet de l’environnement oxydant à haute température (pas d’apparition de fissure ou de porosité nuisibles) ce qui confère une stabilité de la protection conférée au cours de la vie de la pièce. En outre le caractère non fissuré de la barrière lors de son élaboration permet de garantir une protection performante même si le dépôt a une faible épaisseur, ce qui peut être d’intérêt particulier dans le cas d’une application aube ou distributeur de turbine. L’invention correspond à une sélection spécifique d’une technique de dépôt et de précurseurs particuliers, ainsi que de conditions de température et pression maîtrisées lors du dépôt qui aboutissent directement à une forme cristallisée d’équilibre et non-fissurée, sans nécessiter de traitement thermique de cristallisation subséquent. L’invention permet d’obtenir un revêtement dense et étanche et d’éviter une oxydation du matériau sous-jacent du fait de la génération d’eau in-situ à haute température qui peut être rencontrée avec des solutions de dépôt par voie chlorée de l’art antérieur. Cette oxydation est évitée par l’utilisation d’une température au plus égale à 1300°C. L’emploi d’une température d’au moins 1100°C permet quant à lui d’obtenir une couche cristallisée. L’invention permet d’obtenir une couche de barrière environnementale dense, non-fissurée lors de son élaboration et compatible des pièces de géométrie complexe en permettant notamment de maîtriser l’épaisseur et d’obtenir un revêtement relativement fin. Dans un exemple de réalisation, la température imposée durant le dépôt de ladite couche de barrière environnementale est comprise entre 1100°C et 1200°C, en particulier entre 1125°C et 1175°C. Dans un exemple de réalisation, la pression imposée durant le dépôt de ladite couche de barrière environnementale est comprise entre 100 mbar et 150 mbar. Dans un exemple de réalisation, le mélange précurseur est un mélange de tétrachlorure de silicium et d’ytterbium élémentaire. Dans un exemple de réalisation, ladite couche de barrière environnementale a une épaisseur inférieure ou égale à 50 µm. Dans ce cas, la couche de barrière environnementale est d’épaisseur fine, difficilement atteignable par la projection thermique. Des épaisseurs plus importantes peuvent être obtenues dans le cadre de l’invention si cela est acceptable pour l’application considérée. Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre le dépôt d’une couche d’accrochage comprenant du silicium sur une surface externe du matériau composite à matrice au moins partiellement en céramique, et dans lequel la couche de barrière environnementale est déposée sur ladite couche d’accrochage. Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre, après le dépôt de ladite couche de barrière environnementale, le dépôt, sur ladite couche de barrière environnementale, d’une deuxième couche de barrière thermique ou de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium. Dans un exemple de réalisation, la pièce est une pièce de turbomachine. Dans un exemple de réalisation, la pièce est une aube de turbine, ou une partie au moins d’un distributeur de turbine. FIG. 1 La FIG. 1 illustre, de manière schématique, un premier exemple de pièce à résistance améliorée à l’oxydation et à la corrosion à haute température pouvant être obtenue par mise en œuvre de l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 fournit un résultat d’essai montrant une photographie obtenue par microscopie électronique à balayage (MEB) d’un dépôt de disilicate d’ytterbium obtenu dans le cadre de l’invention. FIG. 3 La FIG. 3 illustre, de manière schématique, un deuxième exemple de pièce à résistance améliorée à l’oxydation et à la corrosion à haute température pouvant être obtenue par mise en œuvre 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 FIG. 1 montre un exemple de pièce 1 comprenant un matériau 3 CMC muni d’une barrière environnementale 2 qui peut être obtenue par mise en œuvre de l’invention. Le matériau 3 CMC peut comprendre un renfort fibreux qui peut être en fibres de carbone (C) ou en fibres céramiques, par exemple en fibres de carbure de silicium (SiC) ou formées essentiellement de SiC, incluant des fibres en Si-C-O ou Si-C-O-N, c’est-à-dire contenant aussi de l’oxygène et éventuellement de l’azote. De telles fibres sont produites par la société Nippon Carbon sous la référence « Nicalon » ou « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon Type-S », ou par la société Ube Industries sous la référence « Tyranno-ZMI ». Les fibres céramiques peuvent être revêtues d’une mince couche d’interphase en carbone pyrolytique (PyC), en nitrure de bore (BN) ou en carbone dopé au bore (BC, avec 5%at. à 20%at. de B, le complément étant C). Le renfort fibreux est densifié par une matrice au moins partiellement céramique, par exemple majoritairement en volume en céramique. La matrice céramique peut comprendre du carbure de silicium ou un système ternaire Si-B-C, par exemple. La matrice peut être au moins en partie formée par CVI de manière connue en soi. En variante, la matrice peut être au moins en partie formée par voie liquide (imprégnation par une résine précurseur de la matrice et transformation par réticulation et pyrolyse, le processus pouvant être répété) ou par infiltration de silicium à l’état fondu (procédé de « Melt-Infiltration »). Dans ce dernier cas, une poudre est introduite dans le renfort fibreux éventuellement partiellement densifié, cette poudre pouvant être une poudre de carbone, de céramique par exemple de carbure de silicium, ou un mélange de telles poudres, et une composition métallique à base de silicium à l’état fondu est ensuite infiltrée pour former une matrice de type SiC-Si. Le renfort fibreux peut être tissé ou non, on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque le renfort fibreux est sous la forme de fibres courtes dispersées dans le matériau 3. On peut en variante utiliser un renfort particulaire sous la forme de grains dispersés dans le matériau 3. La barrière environnementale 2 peut être formée sur toute la surface externe S du matériau 3 CMC ou sur une partie seulement de cette surface S, par exemple lorsque seulement une partie de la surface S doit être protégée. Dans l’exemple illustré à la FIG. 1 , la barrière environnementale 2 comprend une couche 7 de barrière environnementale et une couche 5 d’accrochage présente entre le matériau 3 CMC et la couche 7. Dans l’exemple illustré, la couche 5 d’accrochage est présente au contact de la surface S du matériau composite 3. En outre, dans cet exemple, la couche 7 est au contact de la couche 5 d’accrochage. La couche 5 d’accrochage peut de manière connue en soi former en fonctionnement une couche de silice protectrice contre l’oxydation (couche dite de « TGO » pour « Thermally Grown Oxide »). La couche 5 d’accrochage peut être en silicium. La couche 7 est une couche de barrière environnementale apportant une protection contre l’oxydation et la corrosion à haute température en limitant notamment la diffusion de la vapeur d’eau et de l’oxygène vers la couche 5 d’accrochage et le matériau 3 CMC. La couche 7 est une couche cristalline de β-Yb 2 Si 2 O 7 non fissurée. L’épaisseur e1 de la couche 7 peut être inférieure ou égale à 1000 µm, par exemple comprise entre 20 µm et 100 µm, par exemple comprise entre 20 µm et 50 µm. On va maintenant décrire des détails relatifs à la fabrication de la barrière environnementale. Le passage qui va être, à présent, abordé fournit des détails relatifs à la formation de la couche 5 d’accrochage. La couche 5 d’accrochage peut être formée par dépôt chimique en phase vapeur à partir d’un précurseur comprenant du silicium comprenant par exemple un silane, un monochlorosilane, un dichlorosilane, et/ou un trichlorosilane. Deux exemples de formation de la couche 5 d’accrochage par dépôt chimique en phase vapeur sont décrits ci-dessous. Selon un premier exemple, la température imposée durant le dépôt de la couche 5 d’accrochage peut être comprise entre 900°C et 1150°C, par exemple entre 1100°C et 1150°C, et la pression imposée lors de ce dépôt peut être comprise entre 15,3 kPa et 20 kPa, par exemple entre 16,7 kPa et 18 kPa. Lors du dépôt, le précurseur comprenant du silicium peut être introduit dans la chambre réactionnelle dans laquelle le matériau 3 CMC est présent avec un débit compris entre 0,05 gramme/minute et 0,3 gramme/minute, par exemple entre 0,1 gramme/minute et 0,2 gramme/minute. Selon ce premier exemple, la couche 5 d’accrochage obtenue a une microstructure cristalline. En particulier, la couche 5 d’accrochage peut être en silicium, cette couche 5 d’accrochage comprenant par exemple des grains colonnaires de silicium cristallin. En variante, la couche 5 d’accrochage peut être en alliage de silicium, par exemple en alliage eutectique de silicium ou en siliciure. Selon un deuxième exemple, la couche 5 d’accrochage comprend une phase de silicium amorphe ayant des grains de silicium cristallin distribués à l’intérieur, ces grains pouvant avoir une taille moyenne comprise entre 0,03 µm et 3 µm. La phase de silicium amorphe peut être formée de silicium pur ou de silicium avec du bore, de l’oxygène et/ou de l’azote dispersés à l’intérieur. Selon ce deuxième exemple, la couche 5 d’accrochage peut être formée à une température de dépôt qui empêche la cristallisation du silicium déposé, suivi d’un traitement thermique de la couche d’accrochage à une température de traitement supérieure à la température imposée lors du dépôt afin de former les grains de silicium cristallin distribués dans la phase de silicium amorphe. La température imposée lors du dépôt peut être comprise entre 300°C et 700°C ou entre 700°C et 1000°C, et la pression imposée lors du dépôt peut être comprise entre 1,2 kPa et 1 013 hPa. Les conditions opératoires sont choisies en fonction du précurseur utilisé. La température de traitement peut être comprise entre 1000°C et 1400°C, par exemple entre 1200°C et 1350°C. Lors du dépôt, le précurseur comprenant du silicium peut être introduit dans la chambre réactionnelle dans laquelle le matériau 3 CMC est présent avec un débit compris entre 0,1 gramme/minute et 2 gramme/minute. La description se poursuit par la fourniture de détails relatifs à la fabrication de la couche 7 de barrière environnementale par dépôt chimique en phase vapeur. Comme indiqué plus haut, la couche 7 est une couche cristalline de de β- Yb 2 Si 2 O 7 non fissurée. La couche 7 est obtenue à partir du mélange précurseur à l’état gazeux entraîné vers le matériau 3 CMC. Le matériau 3 CMC est chauffé à une température suffisante pour permettre la formation du dépôt en présence éventuellement d’une source gazeuse apporteuse d’oxygène. On forme ainsi la couche 7 de barrière environnementale sur le matériau 3 CMC. Le mélange précurseur peut être un mélange de tétrachlorure de silicium SiCl 4 et d’ytterbium élémentaire Yb. L’ytterbium élémentaire Yb peut être obtenu par évaporation dans une zone de préchauffage interne. Le mélange précurseur peut être un mélange de tétrachlorure de silicium SiCl 4 et de chlorure d’ytterbium (III) (YbCl 3 ). Le chlorure d’ytterbium (III) peut être obtenu par une chloruration de Yb par Cl 2 ou HCl par exemple. La source gazeuse apporteuse d’oxygène peut être du dioxyde de carbone CO 2 , ou du dioxygène O 2 . Le dioxyde de carbone a l’avantage d’être moins réactif que le dioxygène et permet donc de contrôler plus finement la quantité d’oxygène introduite dans le film. Comme indiqué plus haut, la température et la pression sont maîtrisées lors du dépôt de la couche 7, c’est-à-dire lorsque le matériau 3 est soumis au mélange précurseur à l’état gazeux. Ainsi, la température imposée lors du dépôt de la couche 7 est comprise entre 1100°C et 1300°C, par exemple entre 1100°C et 1200°C, par exemple entre 1125°C et 1175°C, par exemple entre 1140°C et 1160°C. La pression imposée lors du dépôt de la couche 7 est inférieure ou égale à 150 mbar, par exemple comprise entre 100 mbar et 150 mbar. La durée du dépôt de la couche 7 est ajustée en fonction de l’épaisseur e1 souhaitée. Le dépôt d’une couche de β-Yb 2 Si 2 O 7 non fissurée a été réalisée dans des conditions de CVD parois chaudes, à partir de Yb élémentaire gazeux et de SiCl 4 (QYb= 4,3 centimètres cubes standard par minute (sccm), QSiCl 4 = 4,3 sccm, QH 2 = 120 sccm, QCO 2 = 40 sccm, P = 20 mbar, durée : 40 minutes), à 1150°C. Une photographie du revêtement obtenu est fournie à la FIG. 2 . D’autres essais ont été réalisés à des températures différentes. L’essai comparatif à 1030°C a conduit à un dépôt qui n’est pas cristallisé dans la bonne forme cristallographique (mélange de disilicate d’ytterbium sous forme alpha et beta). L’essai comparatif à 1350°C a conduit à une dégradation du substrat sous-jacent par oxydation active. La pièce 1 ainsi fabriquée peut être une pièce pour application aéronautique ou aérospatiale. La pièce 1 peut être une pièce de partie chaude d’une turbine à gaz d’un moteur aéronautique ou aérospatial ou d’une turbine industrielle. La pièce 1 peut être une pièce de turbomachine. La pièce 1 peut constituer une partie au moins d’un distributeur, une partie au moins d’une tuyère ou d’un revêtement de protection thermique, une paroi d’une chambre de combustion, un secteur d’anneau de turbine ou une aube de turbomachine. Une fois obtenue, la pièce 1 est utilisée à haute température, supérieure ou égale à 800°C, dans une atmosphère oxydante et corrosive. On peut, en particulier, l’utiliser à une température comprise entre 800°C et 1500°C, voire entre 800°C et 1300°C. La pièce 1 peut, en particulier, être utilisée sous air humide. L’exemple qui vient d’être décrit concerne une couche 7 de barrière environnementale qui forme la surface externe de la pièce revêtue, c’est-à-dire formant la couche de revêtement la plus éloignée du matériau 3. On ne sort néanmoins pas du cadre de l’invention si ce n’est pas le cas, la couche de barrière environnementale pouvant être revêtue par un revêtement supplémentaire comme cela va être décrit en lien avec la FIG. 3 . La FIG. 3 montre une variante de pièce 11 comprenant un matériau 13 CMC muni d’un revêtement protecteur 12 qui peut être obtenu par mise en œuvre de l’invention. Le revêtement 12 comprend une barrière 17 et une couche d’accrochage 15 présente entre le matériau 13 CMC et la barrière 17. Le matériau 13 et la couche 15 présentent des caractéristiques similaires au matériau 3 et à la couche 5 décrits plus haut. La barrière 17 comprend une couche 17a de barrière environnementale similaire à la couche 7 décrite plus haut. Dans l’exemple de la FIG. 3 , on a déposé la couche 17b une fois le dépôt de la couche 17a terminé, c’est-à-dire après évacuation des précurseurs utilisés lors du dépôt CVD. La couche 17b est une couche de barrière thermique, connue en soi, par exemple en zircone yttriée (YSZ : ZrO 2 + 8%at. Y 2 O 3 ), ou une couche de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium (CMAS), par exemple en zirconate de terre rare, par exemple en Gd 2 Zr 2 O 7 . La couche 17b est déposée par mise en œuvre de techniques connues en soi. Ce dépôt s’effectue alors que la couche 17a est à l’état non fissuré et la couche 17a reste non fissurée durant ce dépôt. L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes. Procédé de fabrication d’une pièce (1 ; 11) à résistance améliorée à l’oxydation et à la corrosion à haute température, comprenant au moins le dépôt d’une couche (7 ; 17a) de barrière environnementale cristalline de β-Yb 2 Si 2 O 7 non fissurée sur un matériau (3 ; 13) composite à matrice au moins partiellement en céramique, ladite couche de barrière environnementale étant déposée par dépôt chimique en phase vapeur à partir d’une phase gazeuse comprenant un mélange précurseur de (a) tétrachlorure de silicium, et (b) d’ytterbium élémentaire ou de chlorure d’ytterbium (III), et en imposant durant le dépôt une température comprise entre 1100°C et 1300°C, et une pression inférieure ou égale à 150 mbar. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température imposée durant le dépôt de ladite couche (7 ; 17a) de barrière environnementale est comprise entre 1100°C et 1200°C. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la température imposée durant le dépôt de ladite couche (7 ; 17a) de barrière environnementale est comprise entre 1125°C et 1175°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la pression imposée durant le dépôt de ladite couche (7 ; 17a) de barrière environnementale est comprise entre 100 mbar et 150 mbar. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le mélange précurseur est un mélange de tétrachlorure de silicium et d’ytterbium élémentaire. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite couche (7 ; 17a) de barrière environnementale a une épaisseur (e 1 ) inférieure ou égale à 50 µm. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le procédé comprend en outre le dépôt d’une couche (5 ; 15) d’accrochage comprenant du silicium sur une surface (S) externe du matériau (3 ; 13) composite à matrice au moins partiellement en céramique, et dans lequel la couche (7 ; 17a) de barrière environnementale est déposée sur ladite couche d’accrochage. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le procédé comprend en outre, après le dépôt de ladite couche (7 ; 17a) de barrière environnementale, le dépôt, sur ladite couche de barrière environnementale, d’une deuxième couche (17b) de barrière thermique ou de protection contre les aluminosilicates de calcium et de magnésium. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la pièce (1 ; 11) est une pièce de turbomachine. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la pièce (1 ; 11) est une aube de turbine, ou une partie au moins d’un distributeur de turbine.