EP4452899A1 - Materiaux cmc avec thermocouple integre - Google Patents

Materiaux cmc avec thermocouple integre

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EP4452899A1
EP4452899A1 EP22843357.9A EP22843357A EP4452899A1 EP 4452899 A1 EP4452899 A1 EP 4452899A1 EP 22843357 A EP22843357 A EP 22843357A EP 4452899 A1 EP4452899 A1 EP 4452899A1
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EP
European Patent Office
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thermocouple
layer
insulation layer
barrier layer
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP22843357.9A
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German (de)
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Inventor
Eric Conete
Lisa PIN
Ioannis STASINOPOULOS
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Safran SA
Safran Ceramics SA
Original Assignee
Safran SA
Safran Ceramics SA
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to the field of ceramic matrix composite materials (CMC) and more specifically that of coatings that can be applied to such materials and the study of the thermal behavior of coated CMC parts.
  • CMC ceramic matrix composite materials
  • CMC materials have good mechanical properties making them suitable for forming structural elements for aeronautical turbines and they advantageously retain these properties at high temperatures.
  • CMC materials can degrade when used at high temperatures and in a corrosive environment, as is the case when they are present in aeronautical turbines. It is usual, for such applications, to coat the parts made of ceramic matrix composite materials with a barrier layer, which can act as a thermal barrier and/or an environmental barrier.
  • the interface between the CMC substrate and the barrier layer is a place where damage can be initiated, in particular due to the difference in nature between the substrate and the barrier layer. This damage can be caused by differences in the thermal behavior of the substrate and of the barrier for example, and this is why it is important to know precisely the temperature at the level of the interface between the substrate and the barrier layer.
  • the measurement of this temperature during characterization tests can make it possible to precisely identify the temperature at which the substrate begins to degrade and to better understand the damage mechanisms.
  • knowing precisely the temperature close to the substrate makes it possible to quantify the thermal gradient obtained thanks to the barrier layer. It is thus possible to quantify the performance of the barrier layer. It may also be desired to measure the temperature during normal or accidental operation of a part made of CMC material in order to determine precisely to what temperature it is exposed and thus to be able to predict its damage and that of its coating.
  • thermocouple positioned close to the interface between the barrier and the substrate.
  • thermocouple that can be positioned above a thermal barrier or between a thermal barrier and a substrate.
  • thermocouple it is nevertheless necessary to encapsulate the thermocouple in an electrically insulating ceramic with a composition different from that of the thermal barrier layer to avoid interactions between the thermocouple and the layers.
  • thermocouple makes the step of forming the thermocouple, and the method of forming the barrier layer on the substrate as a whole, complex, compared to a part of the prior art.
  • the invention proposes a part comprising a substrate made of ceramic matrix composite material, said substrate being coated with a multilayer stack comprising at least, and in this order starting from the substrate:
  • tie layer comprising silicon
  • an insulating layer comprising a rare earth disilicate or silica
  • the insulation layer makes it possible to avoid the interaction between the thermocouple and the silicon contained in the adhesion layer.
  • the metals or alloys generally used for thermocouples measuring the temperatures of interest for the parts of aeronautical turbomachines made of composite material with a ceramic matrix coated are not compatible with the presence of silicon, since they generally include platinum which can diffuse into the silicon and harm its good properties. Avoiding any contact between the thermocouple and silicon makes it possible to increase the lifetime of the thermocouple on the one hand and of the adhesion layer, therefore of the coating as a whole.
  • thermocouple is thus very close to the adhesion layer so that the temperature it measures is as representative as possible of the temperature actually felt between the substrate and the barrier layer. Moreover, such a part is more easily produced than a part of the prior art because it is not necessary for the thermocouple to be encapsulated in a material different from that of the barrier layer.
  • the tie layer has a thickness of less than or equal to 500 ⁇ m, or even between 50 and 150 ⁇ m.
  • the insulation layer is chosen with a sufficiently reduced thickness to allow the thermocouple to be as close as possible to the substrate, while avoiding direct contact between the thermocouple and the bonding layer.
  • the insulation layer may have a thickness less than or equal to 100 ⁇ m, or even between 1.0 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • a layer as proposed below is thick enough to avoid any risk of electrical cuts due to the roughness of the substrate. Indeed, if the insulation layer is too thin, in particular less than 1.0 ⁇ m, it reproduces the roughness of the underlying substrate and if the roughness is too great there is a risk of electrical discontinuity of the thermocouple. , which would therefore be non-functional.
  • the insulation layer has the same composition as the barrier layer. This results in optimum hold of the barrier layer on the insulation layer.
  • the manufacturing process is further simplified because it is not necessary to change the deposition method between the insulation layer and the barrier layer.
  • the barrier layer has a thickness between 10 ⁇ m and 2.0 mm.
  • the thickness of the barrier layer is chosen according to the properties desired for this layer. For example, if the part is a turbine ring, it may be desired that the barrier layer play a thermal insulation role in addition to an environmental barrier role. For this, it is preferable for the barrier layer to have a large thickness, for example between 1.0 mm and 2.0 mm.
  • the thickness can then be between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the part may further comprise, on the barrier layer, one or more layers chosen from a thermal barrier, an abradable layer and/or a layer resistant to environmental pollutants such as compounds comprising calcium, magnesium , aluminum or silicon, in particular the oxides of these compounds (conventionally called CMAS).
  • a thermal barrier such as an abradable layer and/or a layer resistant to environmental pollutants
  • an abradable layer such as an abradable layer and/or a layer resistant to environmental pollutants
  • a layer resistant to environmental pollutants such as compounds comprising calcium, magnesium , aluminum or silicon, in particular the oxides of these compounds (conventionally called CMAS).
  • the part is an aeronautical turbomachine part chosen from: a turbine ring, a blade, a combustion chamber, a high pressure distributor or a low pressure distributor.
  • the invention relates to a process for manufacturing a part described above, the manufacturing process comprising the following steps: - the formation of an adhesion layer comprising silicon on at least one surface of a ceramic matrix composite material substrate; Then
  • thermocouple on the insulation layer
  • thermocouple is interposed between the insulation layer and the barrier layer
  • a heat treatment step at a temperature of between 1000° C. and 1500° C. and for a period of between 5 h and 50 h.
  • thermocouple does not risk contact with the adhesion layer without however requiring any particular encapsulation treatment. This results in a part that is simpler to produce, and whose thermocouple is formed directly between the substrate and the barrier layer.
  • the heat treatment carried out after the steps for forming the insulation layer and the barrier layer, makes it possible to ensure excellent resistance of the barrier layer.
  • thermocouple is directly in contact with the bottom of the barrier layer, which is the precise location of the part where damage phenomena are most likely to appear.
  • the insulating layer when the insulating layer comprises a rare earth disilicate, the insulating layer may be formed by physical vapor deposition, or by thermal spraying or by liquid deposition followed by sintering of a or more powders.
  • thermocouple may include a step of printing the thermocouple onto the insulation layer. For example, this step of printing the thermocouple on the insulation layer can be followed by a step of high temperature sintering of the deposited ink to eliminate the organic components of the ink and sinter the metal particles of the ink between them and form the continuous circuit of the thermocouple.
  • thermocouple can also be obtained by the subsequent heat treatment step at a temperature between 1000°C and 1500°C and for a time between 5 h and 50 h which will cause the particles of the deposited thermocouple to sinter, in which case the step of forming comprises only the step of printing the thermocouple.
  • thermocouple printing step is followed by a drying step carried out between 60°C and 100°C.
  • Such a drying step makes it possible to evacuate the solvents and immediately stabilize the structure of the printed thermocouple, to ensure that this structure does not change until the subsequent step of heat treatment at a temperature between 1000°C and 1500° C and for a period of between 5 h and 50 h which will make it possible to obtain the sintering of the ink particles to obtain the final thermocouple.
  • the formation of the thermocouple comprises a step of depositing a conductive ink by ink jet, by aerosol jet printing, by screen printing or by micro-extrusion.
  • the conductive ink is a suspension comprising one or more solvents, one or more organic binders and particles, the particles being chosen from nanoparticles or microparticles of silver (Ag), of an alloy of copper-nickel-manganese (CuNiMn), platinum (Pt), platinum-rhodium alloy (PtRh).
  • nanoparticles particles whose largest dimension is less than or equal to a hundred nanometers, or even ten nanometers.
  • microparticles particles whose largest dimension is less than or equal to a hundred micrometers, or even ten micrometers.
  • the heat treatment step is carried out at a temperature comprised between 1100° C. and 1150° C. and for a duration comprised between 5 h and 10 h.
  • a step of polishing the insulation layer can be carried out after the formation of the insulation layer and before the step of forming the thermocouple.
  • thermocouple Such a polishing step makes it possible to ensure better electrical continuity of the thermocouple during the subsequent forming step. Indeed, if the insulation layer is too rough, and since the thermocouple is formed on the latter, the roughness can cause electrical discontinuities on the thermocouple which impair its correct operation.
  • Figure 1 schematically represents a part at different times of its preparation.
  • FIG. 2 Figure 2 schematically illustrates a method of the invention.
  • FIG. 1 represents a final part 105 and several intermediate states 101, 102, 103, 104 of the final part 105 during its preparation.
  • At least one face of the substrate 10 is covered with a bonding layer 11 comprising silicon.
  • the purpose of the bonding layer 11 is to facilitate the subsequent bonding of the insulation layer 12.
  • the bonding layer 11 may be a layer comprising only silicon.
  • the substrate 10 is made of composite material with a ceramic matrix chosen from substrates based on silicon carbide (SiC).
  • the adhesion layer 11 is then covered with an insulation layer 12, on a surface opposite the substrate.
  • the purpose of the insulation layer 12 is to avoid any contact between the grip layer 11 and the thermocouple 13.
  • the contact between the grip layer 11 and the thermocouple 13 is not desirable because the silicon of the grip layer 11 can react with the metal of the thermocouple 13 which would affect the correct operation of the thermocouple 13.
  • the insulation layer 12 however has the smallest possible thickness.
  • the thickness of the insulation layer 12 can be less than or equal to 100 ⁇ m. Indeed, the thinner the insulation layer 12 is, the more the measurement of the thermocouple 13 is representative of the temperature actually felt by the substrate 10.
  • the insulation layer 12 comprises either silica or a rare earth disilicate.
  • the insulation layer 12 is made of silica.
  • the insulation layer 12 comprises a rare earth disilicate chosen from ytterbium disilicate and/or yttrium disilicate.
  • the insulation layer 12 may have the same composition as the barrier layer 14. In such an embodiment, the continuity between the insulation layer 12 and the barrier layer 14 is excellent, and the method manufacturing is further simplified.
  • thermocouple 13 is then formed on the insulation layer 12.
  • the methods for depositing such a thermocouple 13 will be described below in connection with the corresponding step of the second figure.
  • thermocouple 13 is formed so that the temperature measurement can be accessed from outside the room.
  • the thermocouple 13 can comprise connection means not shown in FIG. 1, for example wires, making it possible to connect the thermocouple 13 to the outside of the part 105.
  • the wires are formed in same time as the thermocouple, and can be formed in the same way.
  • thermocouple to obtain such a thermocouple, it is possible to form the thermocouple with wires on the insulation layer 12 and slightly beyond, then to place a mask on the end of the wires formed beyond of the insulation layer 12 which will be covered by the barrier layer 14, to deposit the barrier layer 14 only on the thermocouple 13 but not on the end of the wires, then to remove the cover and thus obtain access to the wires connected to the thermocouple 13.
  • thermocouple 13 the metal or the metal alloy composing the thermocouple 13 is chosen so that it makes it possible to accurately measure the temperatures of interest in the context of normal use of the final part 105.
  • the temperatures measured at the level of the substrate 10 and therefore of the thermocouple 13 can be between 1000° C. and 1300° C. It is therefore preferable to choose a thermocouple made up of a copper-nickel-manganese alloy (CuNiMn), of platinum (Pt), of a platinum-rhodium alloy (PtRh).
  • CuNiMn copper-nickel-manganese alloy
  • Pt platinum
  • PtRh platinum-rhodium alloy
  • insulation layer 12 and barrier layer 14 are electrically insulating. This embodiment is advantageous, because it is then not necessary to take particular care with the insulation of the thermocouple 13 or any wires allowing it to be connected to an instrumentation because the thermocouple is sandwiched between two layers insulating. This results in a more reliable part, as the risk of contact between bare wires is reduced.
  • thermocouple 13 has been formed on the insulation layer 12
  • a barrier layer 14 is deposited on the surface of the insulation layer 12.
  • the thermocouple 13 is interposed between the insulation layer 12 and the barrier layer 14.
  • barrier layer 14 makes it possible to isolate the substrate 10 from the environment to which the part is subjected.
  • barrier layer 14 comprises a rare earth disilicate.
  • the rare earth disilicate is chosen from ytterbium disilicate and/or yttrium disilicate. It is in fact observed that these two rare earths, alone or in combination, make it possible to obtain the best compromise between the cost and the performance desired for the barrier layer 14.
  • the barrier layer 14 can for example have a function of thermal insulation or environmental insulation, that is to say presenting a seal against the environmental pollutants conventionally encountered, such as compounds comprising calcium, magnesium, aluminum or silicon, in particular the oxides of these compounds (conventionally called CMAS).
  • environmental pollutants conventionally encountered, such as compounds comprising calcium, magnesium, aluminum or silicon, in particular the oxides of these compounds (conventionally called CMAS).
  • the barrier layer 14 can be covered with an additional barrier, not shown in FIG. 1, making it possible to fulfill a function complementary to those already fulfilled by the barrier layer 14.
  • thermocouple is directly in contact with the insulation layer 12, and directly in contact with the barrier layer 14.
  • the thickness of the barrier layer 14 is chosen to represent a compromise between the weight, the cost and the specifications desired for the final part 105.
  • thermocouple 13 finds itself interposed between the insulation layer and the barrier layer.
  • the thermocouple 13 interposed between the insulation layer and the barrier layer makes it possible to obtain a reliable measurement of the temperature actually felt in the final part 105 between the substrate 10 and the barrier layer 14.
  • the part does not include any layers other than the substrate 10, the grip layer 11, the insulation layer 12 and the barrier layer 14.
  • the part obviously includes a thermocouple 13 interposed between the insulation layer 12 and barrier layer 14.
  • FIG. 2 schematically represents the various steps E1 to E7 of a process for preparing a final part 105 as described above, starting of a substrate 10 constituting an initial part 101.
  • the steps represented by dotted boxes in FIG. 2 are optional.
  • the preparation method represented comprises a first step E1 of preparing a tie layer 11 on the surface of a substrate 10.
  • the tie layer 11 can be formed in a manner known as such, for example by thermal spraying, by PVD or CVD on at least one surface of a substrate 10.
  • This first step El makes it possible to obtain an intermediate part 102, in which the substrate 10 is covered on at least one surface by the adhesion layer 11.
  • the method then comprises a step E2 of forming an insulation layer 12.
  • This step E2 makes it possible to obtain the intermediate part 103, in which an insulation layer 12 has been formed on the surface of the bonding layer. 11.
  • the step E2 of forming the insulating layer 12 can be carried out by thermal spraying, by physical or chemical vapor deposition, or by deposition in a liquid way then sintering of one or more powders.
  • the method may additionally and optionally comprise a step E3 of polishing the insulation layer 12.
  • Such a polishing step can be carried out by mechanical polishing or by chemical polishing.
  • thermocouple 13 This step allows better attachment of the thermocouple 13 and reduces the risk of electrical discontinuity in the thermocouple 13.
  • the method then comprises a step E4 of forming a thermocouple 13 on the insulation layer 12, in order to form the intermediate part 104.
  • thermocouple 13 can be formed directly on insulation layer 12 using conductive ink.
  • the conductive ink can comprise a plurality of metal particles dissolved in a solvent as described previously.
  • the forming may include the deposition of a conductive ink by ink jet, aerosol jet printing, screen printing or micro-extrusion.
  • thermocouple can be deposited by air plasma spraying (APS for the acronym “air plasma spraying”), by high-speed oxide spraying (HVOF for the acronym “high velocity oxy fuel solution plasma spraying, cold spraying, electron beam physical vapor deposition (EBPVD) ), chemical vapor deposition (CVD for the English acronym “chemical vapor deposition”), by pulsed laser, by plasma or even by screen printing.
  • APS air plasma spraying
  • HVOF high-speed oxide spraying
  • EBPVD electron beam physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • pulsed laser by plasma or even by screen printing.
  • step E4 of forming thermocouple 13 may include the deposition of an ink followed by its sintering to form the thermocouple immediately.
  • step E4 of formation of the thermocouple may comprise the deposition of an ink optionally followed by its drying.
  • step E4 for forming the thermocouple includes a printing step which is not followed by a sintering step, then heat treatment step E7 can allow the particles comprised in the ink to be sintered to form the final thermocouple.
  • the method then comprises a step E6 of depositing a barrier layer 14 comprising a rare earth disilicate on the insulation layer 12 and so that the thermocouple 13 is interposed between the insulation layer 12 and the barrier layer 14.
  • the method presented in FIG. 2 then comprises a heat treatment step E7.
  • This heat treatment step E7 makes it possible to stabilize the barrier layer 14, and possibly the insulation layer 12.
  • Such a step E7 also makes it possible, in certain embodiments, to finalize the sintering of the thermocouple 13.
  • the expression "between ... and " must be understood as including the limits.

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Abstract

L'invention concerne une pièce (105) comprenant un substrat (10) en matériau composite à matrice céramique, ledit substrat étant revêtu d'un empilement multicouche comprenant au moins et dans cet ordre en partant du substrat : - une couche d'accroche (11) comprenant du silicium; - une couche d'isolation (12) comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice; - une couche barrière (14) comprenant un disilicate de terre rare; la pièce comprenant en outre au moins un thermocouple (13) interposé entre la couche d'isolation et la couche barrière.

Description

Description
Titre de l'invention : Matériaux CMC avec thermocouple intégré
Domaine Technique
L'invention concerne le domaine des matériaux composites à matrice céramique (CMC) et plus précisément celui des revêtements pouvant être appliquées sur de tels matériaux et l'étude du comportement thermique de pièces en CMC revêtues.
Technique antérieure
Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures pour des turbines aéronautiques et ils conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées.
Ces matériaux CMC peuvent toutefois se dégrader lorsqu'ils sont utilisés à des températures élevées et dans un environnement corrosif, comme c'est le cas lorsqu'ils sont présents dans des turbines aéronautiques. Il est usuel, pour de telles applications, de revêtir les pièces en matériaux composites à matrice céramique d'une couche barrière, pouvant jouer un rôle de barrière thermique et/ou de barrière environnementale.
L'interface entre le substrat en CMC et la couche barrière est un lieu où peuvent s'initier des endommagements, notamment du fait de la différence de nature entre le substrat et la couche barrière. Ces endommagements peuvent avoir pour origine des différences de comportement thermique du substrat et de la barrière par exemple, et c'est pourquoi il est important de connaître précisément la température au niveau de l'interface entre le substrat et la couche barrière.
Par exemple, la mesure de cette température au cours d'essais de caractérisation peut permettre d'identifier précisément la température à laquelle le substrat commence à se dégrader et de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement.
En outre, connaître précisément la température proche du substrat permet de quantifier le gradient thermique obtenu grâce à la couche barrière. Il est ainsi possible de quantifier la performance de la couche barrière. Il peut également être souhaité de mesurer la température lors du fonctionnement normal ou accidentel de pièce en matériau CMC afin déterminer précisément à quelle température elle est exposée et de pouvoir prédire ainsi son endommagement et celui de son revêtement.
Pour mesurer précisément la température entre la couche barrière et le substrat, il est généralement proposé d'utiliser un thermocouple positionné proche de l'interface entre la barrière et le substrat.
Par exemple, on retrouve dans l'état de l'art un thermocouple pouvant être positionné au-dessus d'une barrière thermique ou entre une barrière thermique et un substrat. Dans ce deuxième mode de réalisation, il est néanmoins nécessaire d'encapsuler le thermocouple dans une céramique électriquement isolante d'une composition différente de celle de la couche de barrière thermique pour éviter les interactions entre le thermocouple et les couches.
Un tel mode de réalisation rend complexe l'étape de formation du thermocouple, et le procédé de formation de la couche barrière sur le substrat dans son ensemble, comparativement à une pièce de l'art antérieure.
Il demeure donc un intérêt pour des pièces en CMC revêtues qui permettent une détermination précise de la température entre le substrat et une couche barrière, et qui seraient dénuées des désavantages des solutions proposées dans l'art antérieur, ainsi que des méthodes de préparation simplifiées de telles pièces.
Exposé de l'invention
Pour répondre à ce besoin, l'invention propose une pièce comprenant un substrat en matériau composite à matrice céramique, ledit substrat étant revêtu d'un empilement multicouche comprenant au moins, et dans cet ordre en partant du substrat :
- une couche d'accroche comprenant du silicium ;
- une couche d'isolation comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice;
- une couche barrière comprenant un disilicate de terre rare ; la pièce comprenant en outre au moins un thermocouple interposé entre la couche d'isolation et la couche barrière. Dans une telle pièce, la couche d'isolation permet d'éviter l'interaction entre le thermocouple et le silicium contenu dans la couche d'accroche. En effet, les métaux ou les alliages généralement utilisés pour les thermocouples mesurant les températures d'intérêt pour les pièces de turbomachines aéronautiques en matériau composite à matrice céramique revêtu ne sont pas compatibles de la présence de silicium, car ils comprennent généralement du platine qui peut diffuser dans le silicium et nuire à ses bonnes propriétés. Éviter tout contact entre le thermocouple et du silicium permet d'augmenter la durée de vie du thermocouple d'une part et de la couche d'accroche, donc du revêtement dans son ensemble.
En outre, le thermocouple est ainsi très proche de la couche d'accroche de sorte que la température qu'il mesure est la plus représentative possible de la température effectivement ressentie entre le substrat et la couche barrière. De plus, une telle pièce est plus facilement produite qu'une pièce de l'art antérieure car il n'est pas nécessaire que le thermocouple soit encapsulé dans un matériau différent de celui de la couche barrière.
Dans un mode de réalisation, la couche d'accroche a une épaisseur inférieure ou égale à 500 pm, voire comprise entre 50 et 150 pm.
Dans une pièce de l'invention, la couche d'isolation est choisie avec une épaisseur suffisamment réduite pour permettre au thermocouple d'être au plus proche du substrat, tout en évitant le contact direct entre le thermocouple et la couche d'accroche.
Par exemple, la couche d'isolation peut avoir une épaisseur inférieure ou égale à 100 pm, voire comprise entre 1,0 pm et 10 pm.
Une couche telle que proposée ci-dessous est suffisamment épaisse pour assurer d'éviter tout risque de coupure électrique à cause de la rugosité du substrat. En effet, si la couche d'isolation est trop fine, en particulier inférieure à 1,0 pm, celle-ci reproduit la rugosité du substrat sous-jacent et si la rugosité est trop importante il y a un risque de discontinuité électrique du thermocouple, qui serait donc non fonctionnel. Dans un mode de réalisation, la couche d'isolation a la même composition que la couche barrière. Il en résulte une tenue optimale de la couche barrière sur la couche d'isolation.
De plus, le procédé de fabrication est encore simplifié car il n'est pas nécessaire de changer la méthode de dépôt entre la couche d'isolation et la couche barrière.
Dans un mode de réalisation, la couche barrière a une épaisseur comprise entre 10 pm et 2,0 mm.
L'épaisseur de la couche barrière est choisie en fonction des propriétés souhaitées pour cette couche. Par exemple, si la pièce est un anneau de turbine, on peut souhaiter que la couche barrière joue un rôle d'isolation thermique en plus d'un rôle de barrière environnementale. Pour cela, il est préférable que la couche barrière ait une grande épaisseur, par exemple comprise entre 1,0 mm et 2,0 mm.
Dans un autre mode de réalisation, par exemple si la pièce est une aube de turbomachine pour laquelle seule la fonction de barrière environnementale est souhaitée, l'épaisseur peut alors être comprise entre 10 pm et 200 pm.
Dans un mode de réalisation, la pièce peut comprendre en outre, sur la couche barrière, une ou plusieurs couches choisies parmi une barrière thermique, une couche abradable et/ou une couche résistante aux polluants environnementaux tels que des composés comprenant du calcium, du magnésium, de l'aluminium ou du silicium notamment les oxydes de ces composés (appelés classiquement les CMAS).
De tels modes de réalisation permettent d'adapter les pièces à des situations particulières pour des applications spécifiques rencontrées en différents endroits d'une turbomachine.
Dans un mode de réalisation, la pièce est une pièce de turbomachine aéronautique choisie parmi : un anneau de turbine, une aube, une chambre de combustion, un distributeur haute pression ou un distributeur basse pression.
Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un pièce décrite ci-dessus, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : - la formation d'une couche d'accroche comprenant du silicium sur au moins une surface d'un substrat en matériau composite à matrice céramique ; puis
- la formation d'une couche d'isolation comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice sur la couche d'accroche ; puis
- la formation d'un thermocouple sur la couche d'isolation ; puis
- la formation d'une couche barrière comprenant un disilicate de terre rare, sur la couche d'isolation et de sorte que le thermocouple soit interposé entre la couche d'isolation et la couche barrière; puis
- une étape de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h .
Ce procédé permet, à la différence des procédés de l'art antérieur d'obtenir une pièce dotée des avantages décrits ci-dessus.
En particulier, le procédé est simplifié car il n'est pas nécessaire d'apporter un soin particulier à l'encapsulation du thermocouple puisque la couche d'isolation sépare ce dernier de la couche d'accroche. Ainsi, le thermocouple ne risque pas le contact avec la couche d'accroche sans toutefois nécessiter de traitement d'encapsulation particulier. Il en résulte une pièce plus simple à produire, et dont le thermocouple est formé directement entre le substrat et la couche barrière.
Le traitement thermique, réalisé après les étapes de formation de la couche d'isolation et de la couche barrière, permet d'assurer une excellente tenue de la couche barrière.
De plus, le thermocouple est directement en contact avec le bas de la couche barrière qui est l'endroit précis de la pièce où les phénomènes d'endommagement sont les plus susceptibles d'apparaître.
Dans un mode de réalisation, lorsque la couche d'isolation comprend un disilicate de terre rare, la couche d'isolation peut être formée par un dépôt physique en phase vapeur, ou par projection thermique ou par dépôt en voie liquide puis frittage d'une ou plusieurs poudres.
Dans un mode de réalisation, la formation du thermocouple peut comprendre une étape d'impression du thermocouple sur la couche d'isolation. Par exemple, cette étape d'impression du thermocouple sur la couche d'isolation peut être suivie d'une étape de frittage à haute température de l'encre déposée pour éliminer les composantes organiques de l'encre et fritter les particules métalliques de l'encre entre elles et former le circuit continu du thermocouple.
Cette étape de frittage n'est toutefois pas nécessaire, et le thermocouple final peut également être obtenu par l'étape ultérieure de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h qui occasionnera le frittage des particules du thermocouple déposée, auquel cas l'étape de formation comprend seulement l'étape d'impression du thermocouple.
Dans un mode de réalisation, l'étape d'impression du thermocouple est suivie d'une étape de séchage réalisée entre 60°C et 100°C.
Une telle étape de séchage permet d'évacuer les solvants et de stabiliser immédiatement la structure du thermocouple imprimé, pour assurer que cette structure ne change pas jusqu'à l'étape ultérieure de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h qui permettra d'obtenir le frittage des particules de l'encre pour obtenir le thermocouple final.
Dans un mode de réalisation, la formation du thermocouple comprend une étape de dépôt d'une encre conductrice par jet d'encre, par impression par jet d'aérosol, par sérigraphie ou par micro-extrusion.
Dans un mode de réalisation, l'encre conductrice est une suspension comprenant un ou plusieurs solvants, un ou plusieurs liants organiques et des particules, les particules étant choisies parmi les nanoparticules ou les microparticules d'argent (Ag), d'un alliage de cuivre-nickel-manganèse (CuNiMn), de platine (Pt), d'un alliage de platine-rhodium (PtRh).
Par nanoparticules, il est entendu des particules dont la plus grande dimension est inférieure ou égale à une centaine de nanomètres, voire une dizaine de nanomètres. Par microparticules, il est entendu des particules dont la plus grande dimension est inférieure ou égale à une centaine de micromètres, voire une dizaine de micromètres.
Dans un mode de réalisation, l'étape de traitement thermique est réalisée à une température comprise entre 1100°C et 1150°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 10 h.
Dans un mode de réalisation, une étape de polissage de la couche d'isolation peut être réalisée après la formation de la couche d'isolation et avant l'étape de formation du thermocouple.
Une telle étape de polissage permet d'assurer une meilleure continuité électrique du thermocouple lors de l'étape ultérieure de formation. En effet, si la couche d'isolation est trop rugueuse, et puisque le thermocouple est formé sur cette dernière, la rugosité peut occasionner des discontinuités électriques sur le thermocouple qui nuisent à son bon fonctionnement.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement une pièce en différents instant de sa préparation.
[Fig. 2] La figure 2 illustre schématiquement un procédé de l'invention.
Description des modes de réalisation
L'invention est à présent décrite au moyen de figures qui illustrent certains modes de réalisation particuliers et qui ne doivent pas être interprétées de manière limitative.
La figure 1 représente une pièce finale 105 et plusieurs états intermédiaires 101, 102, 103, 104 de la pièce finale 105 au cours de sa préparation.
Au moins une face du substrat 10 est recouvert d'une couche d'accroche 11 comprenant du silicium. La couche d'accroche li a pour but de faciliter l'accrochage ultérieur de la couche d'isolation 12. Par exemple, la couche d'accroche 11 peut être une couche ne comprenant que du silicium. Le substrat 10 est en matériau composite à matrice céramique choisi parmi les substrats à base de carbure de silicium (SiC).
La couche d'accroche 11 est ensuite recouverte d'une couche d'isolation 12, sur une surface opposée au substrat. Le but de la couche d'isolation 12 est d'éviter tout contact entre la couche d'accroche 11 et le thermocouple 13.
En effet, ainsi qu'il a été décrit ci-dessus, le contact entre la couche d'accroche 11 et le thermocouple 13 n'est pas souhaitable car le silicium de la couche d'accroche 11 peut réagir avec le métal du thermocouple 13 ce qui nuirait au bon fonctionnement du thermocouple 13.
La couche d'isolation 12 a toutefois une épaisseur la plus faible possible. Par exemple, l'épaisseur de la couche d'isolation 12 peut être inférieure ou égale à 100 pm. En effet, plus la couche d'isolation 12 est de faible épaisseur et plus la mesure du thermocouple 13 est représentative de la température effectivement ressentie par le substrat 10.
Comme décrit plus haut la couche d'isolation 12 comprend soit de la silice soit un disilicate de terre rare.
Dans un mode de réalisation la couche d'isolation 12 est constituée de silice.
Dans un mode de réalisation alternative, la couche d'isolation 12 comprend un disilicate de terre rare choisi parmi le disilicate d'ytterbium et/ou le disilicate d'yttrium.
Dans un mode de réalisation, la couche d'isolation 12 peut avoir la même composition que la couche barrière 14. Dans un tel mode de réalisation, la continuité entre la couche d'isolation 12 et la couche barrière 14 est excellente, et le procédé de fabrication est encore simplifié.
Comme représenté en figure 1, un thermocouple 13 est ensuite formé sur la couche d'isolation 12. Les méthodes de dépôt d'un tel thermocouple 13 seront décrites ci- après en lien avec l'étape correspondant de la seconde figure.
Bien entendu, le thermocouple 13 est formé de sorte que l'on puisse accéder à la mesure de la température depuis l'extérieur de la pièce. Par exemple, le thermocouple 13 peut comprendre des moyens de liaisons non représentés sur la figure 1, par exemple des fils, permettant de relier le thermocouple 13 à l'extérieur de la pièce 105. Dans un mode de réalisation, les fils sont formés en même temps que le thermocouple, et peuvent être formés de la même manière.
Dans un mode de réalisation, pour obtenir un tel thermocouple, il est possible de former le thermocouple avec des fils sur la couche d'isolation 12 et légèrement au- delà, puis de disposer un masque sur l'extrémité des fils formés au-delà de la couche d'isolation 12 qui sera recouverte par la couche barrière 14, pour ne déposer la couche barrière 14 que sur le thermocouple 13 mais pas sur l'extrémité des fils, puis de retirer le cache et d'ainsi obtenir un accès aux fils reliés au thermocouple 13.
Bien entendu, le métal ou l'alliage métallique composant le thermocouple 13 est choisi de sorte qu'il permette de mesurer fidèlement les températures d'intérêt dans le cadre de l'utilisation normale de la pièce finale 105.
Par exemple, dans le cas d'une pièce de turbomachine les températures mesurées au niveau du substrat 10 et donc du thermocouple 13 peuvent être comprises entre 1000°C et 1300°C. Il est donc préférable de choisir un thermocouple composé d'un alliage cuivre-nickel-manganèse (CuNiMn), de platine (Pt), d'un alliage platine- rhodium (PtRh).
Dans un mode de réalisation, la couche d'isolation 12 et la couche barrière 14 sont électriquement isolantes. Ce mode de réalisation est avantageux, car il n'est alors pas nécessaire d'apporter un soin particulier à l'isolation du thermocouple 13 ou d'éventuels fils permettant de le relier à une instrumentation car le thermocouple est pris en sandwich entre deux couches isolantes. Il en résulte une pièce plus fiable, car le risque d'un contact entre les fils dénudés est réduit.
Une fois le thermocouple 13 formé sur la couche d'isolation 12, une couche barrière 14 est déposée sur la surface de la couche d'isolation 12. Le thermocouple 13 est interposé entre la couche d'isolation 12 et la couche barrière 14.
Comme décrit plus haut, la couche barrière 14 permet d'isoler le substrat 10 de l'environnement auquel est soumise la pièce. Comme indiqué, la couche barrière 14 comprend un disilicate de terre rare. De préférence, le disilicate de terre rare est choisi parmi le disilicate d'ytterbium et/ou le disilicate d'yttrium. Il est en effet observé que ces deux terres rares, seules ou en combinaison, permettent d'obtenir les meilleurs compromis entre le coût et les performances souhaitées pour la couche barrière 14.
La couche barrière 14 peut par exemple avoir une fonction d'isolation thermique ou d'isolation environnementale, c'est-à-dire présentant une étanchéité aux polluants environnementaux classiquement rencontrés, tels que des composés comprenant du calcium, du magnésium, de l'aluminium ou du silicium notamment les oxydes de ces composés (appelés classiquement les CMAS).
Dans un mode de réalisation, la couche barrière 14 peut être recouverte d'une barrière additionnelle, non représentée en figure 1, permettant de remplir une fonction complémentaire à celles déjà remplies par le couche barrière 14.
Dans un mode de réalisation, le thermocouple est directement au contact de la couche d'isolation 12, et directement au contact de la couche barrière 14.
L'épaisseur de la couche barrière 14 est choisie pour représenter un compromis entre le poids, le coût et les spécifications voulues pour la pièce finale 105.
Comme cela est décrit en figure 1, dans la pièce finale 105, le thermocouple 13 se retrouve interposé entre la couche d'isolation et la couche barrière. Le thermocouple 13 interposé entre la couche d'isolation et la couche barrière permet d'obtenir une mesure fiable de la température effectivement ressentie dans la pièce finale 105 entre le substrat 10 et la couche barrière 14.
Dans un mode de réalisation, la pièce ne comprend pas d'autres couches que le substrat 10, la couche d'accroche 11, la couche d'isolation 12 et la couche barrière 14. La pièce comprend bien entendu un thermocouple 13 interposé entre la couche d'isolation 12 et la couche barrière 14.
La figure 2 représente de manière schématique les différentes étapes El à E7 d'un procédé de préparation d'une pièce finale 105 telle que décrite ci-dessus en partant d'un substrat 10 constituant une pièce initiale 101. Les étapes représentées par des cases pointillées sur la figure 2 sont facultatives.
Le procédé de préparation représenté comprend une première étape El de préparation d'une couche d'accroche 11 à la surface d'un substrat 10.
Par exemple, la couche d'accroche 11 peut être formée d'une manière connue en tant que telle, par exemple par projection thermique, par PVD ou CVD sur au moins une surface d'un substrat 10.
Cette première étape El permet d'obtenir une pièce intermédiaire 102, dans laquelle le substrat 10 est recouvert sur au moins une surface par la couche d'accroche 11.
Le procédé comprend ensuite une étape E2 de formation d'une couche d'isolation 12. Cette étape E2 permet d'obtenir la pièce intermédiaire 103, dans laquelle une couche d'isolation 12 a été formée à la surface de la couche d'accroche 11.
Dans les modes de réalisation où la couche d'isolation comprend un disilicate de terre rare, l'étape E2 de formation de la couche d'isolation 12 peut être réalisée par projection thermique, par dépôt physique ou chimique en phase vapeur, ou par dépôt en voie liquide puis frittage d'une ou plusieurs poudres.
Le procédé peut comprendre en outre, et de manière facultative une étape E3 de polissage de la couche d'isolation 12.
Une telle étape de polissage peut être réalisée par polissage mécanique ou par polissage chimique.
Cette étape permet une meilleure accroche du thermocouple 13 et diminue le risque de discontinuité électrique dans le thermocouple 13.
Le procédé comprend ensuite une étape E4 de formation d'un thermocouple 13 sur la couche d'isolation 12, afin de former la pièce intermédiaire 104.
Par exemple, le thermocouple 13 peut être formé directement sur la couche d'isolation 12 au moyen d'une encre conductrice.
Par exemple, l'encre conductrice peut comprendre une pluralité de particules métalliques dissoutes dans un solvant ainsi que cela a été décrit précédemment. Par exemple, la formation peut comprendre le dépôt d'une encre conductrice par jet d'encre, par impression par jet d'aérosol, par sérigraphie ou par micro-extrusion.
De manière alternative, le thermocouple peut être déposé par pulvérisation plasma à l'air (APS pour l'acronyme anglais « air plasma spraying »), par pulvérisation d'oxyde à haute vitesse (HVOF pour l'acronyme anglais « high velocity oxy fuel »), par pulvérisation plasma en solution (dit aussi en anglais « solution plasma spraying »), par pulvérisation à froid, par dépôt physique en phase vapeur par faisceau d’électrons (EBPVD pour l'acronyme anglais « electron beam physical vapor deposition »), dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour l'acronyme anglais « chemical vapor deposition »), par laser pulsé, par plasma ou encore par sérigraphie.
Comme décrit plus haut, l'étape E4 de formation du thermocouple 13 peut comprendre le dépôt d'une encre suivi de son frittage pour former le thermocouple immédiatement.
De manière alternative, l'étape E4 de formation du thermocouple peut comprendre le dépôt d'une encre suivie éventuellement de son séchage.
Si l'étape E4 de formation du thermocouple comprend une étape d'impression qui n'est pas suivie d'une étape de frittage, alors l’étape de traitement thermique E7 peut permettre le frittage des particules comprises dans l'encre pour former le thermocouple final.
Le procédé comprend ensuite une étape E6 de dépôt d'une couche barrière 14 comprenant un disilicate de terre rare sur la couche d'isolation 12 et de sorte que le thermocouple 13 soit interposé entre la couche d'isolation 12 et la couche barrière 14.
Le procédé présenté en figure 2 comprend ensuite une étape de traitement thermique E7. Cette étape E7 de traitement thermique permet de stabiliser la couche barrière 14, et éventuellement la couche d'isolation 12. Une telle étape E7 permet également dans certains modes de réalisation de finaliser le frittage du thermocouple 13. L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Pièce (105) comprenant un substrat (10) en matériau composite à matrice céramique, ledit substrat étant revêtu d'un empilement multicouche comprenant au moins et dans cet ordre en partant du substrat :
- une couche d'accroche (11) comprenant du silicium ;
- une couche d'isolation (12) comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice;
- une couche barrière (14) comprenant un disilicate de terre rare ; la pièce comprenant en outre au moins un thermocouple (13) interposé entre la couche d'isolation et la couche barrière.
[Revendication 2] Pièce (105) selon la revendication 1, dans laquelle la couche d'isolation (12) a une épaisseur inférieure ou égale à 100 pm.
[Revendication 3] Pièce (105) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la couche barrière (14) a une épaisseur comprise entre 10 pm et 2,0 mm.
[Revendication 4] Pièce (105) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre, sur la couche barrière (14), une ou plusieurs couches choisies parmi une barrière thermique, une couche abradable et/ou une couche résistante aux CMAS.
[Revendication 5] Pièce (105) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la pièce est une pièce de turbomachine aéronautique choisie parmi : un anneau de turbine, une aube, une chambre de combustion, un distributeur haute pression ou un distributeur basse pression.
[Revendication 6] Procédé de fabrication d'une pièce (105) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- la formation (El) d'une couche d'accroche (11) comprenant du silicium sur au moins une surface d'un substrat en matériau composite à matrice céramique ; puis
- la formation (E2) d'une couche d'isolation (12) comprenant un disilicate de terre rare ou de la silice sur la couche d'accroche ; puis
- la formation (E4) d'un thermocouple (13) sur la couche d'isolation ; puis
- la formation (E6) d'une couche barrière (14) comprenant un disilicate de terre rare, sur la couche d'isolation et de sorte que le thermocouple soit interposé entre la couche d'isolation et la couche barrière; puis
- une étape (E7) de traitement thermique à une température comprise entre 1000°C et 1500°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 50 h .
[Revendication 7] Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel la formation (E4) du thermocouple (13) comprend une étape de dépôt d'une encre conductrice par jet d'encre, par impression par jet d'aérosol, par sérigraphie, par micro-extrusion ou par dépôt laser.
[Revendication 8] Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel l'encre conductrice est une suspension comprenant un ou plusieurs solvants, un ou plusieurs liants organiques et des particules, les particules étant choisies parmi les nano-particules ou les microparticules d'argent (Ag), d'un alliage de cuivre-nickel- manganèse (CuNiMn), de platine (Pt), d'un alliage de platine-rhodium (PtRh).
[Revendication 9] Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel la formation du thermocouple (E4) comprend une étape d'impression du thermocouple (13) sur la couche d'isolation (14) et une étape de frittage à haute température de l'encre déposée pour éliminer les composantes organiques de l'encre et fritter les particules métalliques de l'encre entre elles et former le circuit continu du thermocouple.
[Revendication 10] Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel l'étape de traitement thermique (E7) est réalisée à une température comprise entre 1100°C et 1150°C et pendant une durée comprise entre 5 h et 10 h.
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