FR3023211A1 - Piece revetue par un revetement de surface et procedes associes - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique, la pièce présentant une surface externe et étant caractérisée en ce qu'elle est revêtue sur au moins une partie de sa surface externe par un revêtement de surface sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel présentant une teneur massique en silicium comprise entre 29% et 45 % ou un alliage de silicium et de cobalt.
Description
Arrière-plan de l'invention L'invention concerne des pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC) comportant un revêtement de surface, leur utilisation au sein de turbomachines ainsi que des procédés de fabrication de telles pièces. Les matériaux composites CMC sont aptes à constituer des pièces destinées à être exposées en service à des températures élevées et présentent l'avantage de conserver de bonnes propriétés mécaniques à haute température. Il est connu de traiter la surface des matériaux CMC en fonction des applications envisagées pour ces derniers. On peut par exemple réaliser, sur la surface du CMC, les revêtements suivants : - revêtement de lissage pour la zone de pâle d'aube de turbine afin d'améliorer le caractère aérodynamique, - barrière environnementale pour protéger le carbure de silicium (SiC) du phénomène de corrosion humide à haute température, ou - revêtement permettant de limiter les phénomènes d'usure et d'usure de contact (« fretting ») aux interfaces. Actuellement, les revêtements fonctionnels sont réalisés sur le matériau composite à son stade final d'élaboration. Il existe donc un découplage total entre la fabrication du CMC et la formation de son revêtement. Les revêtements à base d'oxydes utilisés pour améliorer la tenue à la corrosion et lisser la surface peuvent être élaborés par projection plasma ou frittage flash. Les revêtements de type carbure peuvent, quant à eux, être réalisés par des technologies de dépose de poudre (peinture, trempage « dip-coating », injection ou surmoulage, par exemple) suivis d'une consolidation par voie gazeuse. Les procédés actuels de fabrication de pièces en CMC revêtues présentent principalement deux inconvénients. D'une part, ces procédés peuvent comporter un nombre élevé d'étapes et peuvent donc être relativement complexes et couteux. D'autre part, l'accrochage sur le matériau composite du revêtement obtenu peut ne pas être entièrement satisfaisant du fait du découplage existant entre la fabrication du CMC et la formation de son revêtement. Par ailleurs, un autre problème est à prendre en considération pour les pièces en CMC lequel concerne les interactions chimiques que peuvent subir ces pièces avec le support sur lequel elles sont montées lors de leur utilisation. De telles interactions peuvent être problématiques dans la mesure où elles peuvent conduire à un endommagement des pièces en CMC et/ou des pièces métalliques. Il existe donc un besoin pour obtenir de nouvelles pièces en CMC présentant des interactions limitées avec le support sur lequel elles sont destinées à être montées lors de leur utilisation. Il existe aussi un besoin pour obtenir de nouvelles pièces en CMC présentant une résistance accrue aux phénomènes d'usure de contact (« fretting »).
Il existe encore un besoin pour obtenir des procédés plus simples et moins couteux de préparation de pièces en CMC recouvertes par un revêtement. Objet et résumé de l'invention A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique, la pièce présentant une surface externe et étant caractérisée en ce qu'elle est revêtue sur au moins une partie de sa surface externe par un revêtement de surface sous forme solide comportant, notamment consistant en, un alliage de silicium et de nickel présentant une teneur massique en silicium comprise entre 29% et 45 % ou un alliage de silicium et de cobalt. La mise en oeuvre de tels alliages au sein du revêtement permet avantageusement de limiter les interactions, notamment les réactions chimiques, entre la pièce, d'une part, et le matériau constitutif du support sur lequel la pièce est destinée à être montée lors de son utilisation, d'autre part. Ainsi, les inventeurs ont constaté que la présence, au sein du revêtement de surface, d'un alliage tel que décrit plus haut comportant du silicium ainsi qu'un métal constituant majoritairement le support sur lequel la pièce est destinée à être montée (nickel ou cobalt) permettait avantageusement de limiter les interactions entre la pièce et le support. Ainsi, la pièce selon l'invention présente avantageusement des interactions limitées avec le superalliage à base de nickel et/ou cobalt du support de fixation, et ce grâce à la saturation du silicium par le nickel ou le cobalt présents au sein du revêtement. Par « revêtement de surface », il faut comprendre un revêtement dont la majorité de la masse est présente sur la surface externe de la pièce. En d'autres termes, au moins 50%, de préférence au moins 60%, de préférence au moins 70%, de préférence au moins 80%, de préférence au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence sensiblement 100%, de la masse du revêtement de surface est présente sur la surface externe de la pièce (donc à l'extérieur de la pièce). Il est possible que le revêtement de surface pénètre légèrement dans la pièce, par exemple pour assurer sa fixation à cette dernière.
Toutefois, le revêtement de surface ne pénètre, de préférence, sensiblement pas dans la pièce. Le revêtement de surface est fixé à la surface externe de la pièce et peut pénétrer dans les pores de la surface externe de la pièce. L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peuvent être au contact de la matrice céramique. Par ailleurs, le revêtement de surface ne densifie, de préférence, pas le renfort fibreux. Le revêtement de surface peut reprendre la forme de la pièce qu'il revêt. Ainsi, la surface du revêtement de surface située du côté opposé à la pièce peut avoir la même forme que la surface externe de la pièce. Dans un exemple de réalisation, le revêtement de surface peut comporter une phase de NiSi2 et/ou une phase de NiSi. En particulier, le revêtement de surface peut comporter : - une phase de NiSi2 et éventuellement une phase de Si, et/ou - une phase de NiSi et éventuellement une phase de Si. Dans un exemple de réalisation, le revêtement de surface peut comporter une phase de CoSi2 et éventuellement une phase de Si. De préférence, l'alliage de silicium et de nickel peut présenter une teneur massique en silicium comprise entre 40% et 45%. 3 0 2 3 2 1 1 4 De préférence, l'alliage de silicium et de cobalt peut présenter une teneur massique en silicium comprise entre 34% et 90%, par exemple entre 40% et 90%, par exemple entre 42% et 70%, par exemple entre 45% et 60%. 5 L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peut être présent en une teneur massique supérieure ou égale à 5%, de préférence supérieure ou égale à 50%, par rapport à la masse du revêtement de surface. L'épaisseur du revêtement de surface peut, sur tout ou partie 10 de la surface externe de la pièce revêtue, être comprise entre 20pm et 1000pm, de préférence entre 50pm et 300pm. En particulier, lorsque la pièce constitue une aube de moteur aéronautique, l'épaisseur du revêtement de surface peut, par exemple, être inférieure ou égale à 300 pm dans la zone du pied d'aube et/ou être 15 inférieure ou égale à 100 pm dans la zone de la pale. L'épaisseur du revêtement de surface peut varier lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce. Une telle variation de l'épaisseur permet avantageusement de disposer d'une pièce dont le revêtement présente différentes fonctions 20 selon la zone considérée. En variante, l'épaisseur du revêtement de surface peut être sensiblement constante lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce. Le revêtement de surface peut, en outre, comporter des 25 charges et/ou un matériau céramique. Les charges présentes au sein du revêtement de surface peuvent être choisies parmi : SiC, Si3N4 ou BN, et leurs mélanges. Le matériau céramique présent au sein du revêtement de surface peut être choisi parmi les matériaux céramiques issus de la 30 pyrolyse de résines précéramiques, les résines précéramiques étant par exemple choisies parmi : les polycarbosilanes, les polysilazanes, les polyborosilanes, et leurs mélanges. Le revêtement de surface peut, dans un exemple de réalisation, présenter sensiblement la même composition lorsque l'on se déplace le 35 long de la surface externe de la pièce.
En variante, la composition du revêtement de surface varie lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce. Une telle variation de la composition permet avantageusement de disposer d'une pièce dont le revêtement présente différentes fonctions selon la zone considérée. Les fibres du renfort fibreux sont avantageusement revêtues d'une couche d'interphase. L'utilisation d'une interphase est avantageuse dans la mesure où elle permet d'accroître la résistance mécanique des fibres constituant le renfort fibreux en permettant notamment une déviation des fissures éventuelles de la matrice afin que celles-ci n'affectent pas l'intégrité des fibres. La couche d'interphase peut comporter, notamment consister en, du Pyrocarbone (PyC), du Pyrocarbone dopé par du bore ou du BN. La couche d'interphase peut être multi-séquencée ou non, comportant par exemple une répétition de séquences [PyC/Carbure], [BC/Carbure] ou [BN/Carbure]. Les fibres du renfort fibreux sont avantageusement revêtues d'une couche barrière, laquelle est par exemple sous la forme d'une matrice carbure auto-cicatrisante. L'utilisation d'une telle couche barrière permet avantageusement de protéger les fibres contre l'oxydation et de générer un réseau de fissuration éloigné du renfort fibreux. La pièce peut constituer une aube de moteur aéronautique comportant au moins un pied d'aube et une pale et peut être telle que le revêtement de surface recouvre au moins le pied d'aube. La présente invention vise également une roue de turbomachine comportant : - un disque de roue comportant une partie de fixation d'aube, ladite partie de fixation comportant un alliage comportant du nickel et/ou du cobalt, et - une pièce telle que définie plus haut fixée au disque de roue, le pied d'aube de la pièce étant monté sur la partie de fixation d'aube. La présente invention vise également un procédé pour la fabrication d'une pièce telle que définie plus haut, comportant les étapes suivantes : a) infiltration d'une préforme fibreuse comportant un premier ensemble de charges, par exemple un premier ensemble de charges réactives, avec une composition d'infiltration à l'état fondu, la composition d'infiltration comportant du silicium et ayant une première température de fusion, afin d'obtenir, après mise en contact de la composition d'infiltration avec tout ou partie des charges du premier ensemble de charges, une pièce en un matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique, et b) application sur au moins une partie de la surface externe de la pièce en matériau composite d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt ayant une deuxième température de fusion inférieure à la première température de fusion, afin d'obtenir un revêtement de surface sous forme solide sur au moins une partie de la surface externe de la pièce en matériau composite. La mise en oeuvre d'un tel procédé permet avantageusement de simplifier la préparation d'une pièce en CMC recouverte d'un revêtement de surface. Le fait d'utiliser un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt de température de fusion inférieure à la température de fusion de la composition d'infiltration permet avantageusement, lors de la formation du revêtement de surface, de ne pas faire fondre, à nouveau, la composition d'infiltration qui n'aurait pas réagi. Le procédé peut en outre comporter, après l'étape a) et avant l'étape b), une étape c) de dépôt sur la surface externe de la pièce en matériau composite d'un deuxième ensemble de charges et/ou d'une résine précéramique et le procédé peut être tel que l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu s'infiltre lors de l'étape b) au sein du deuxième ensemble de charges et/ou de la résine précéramique afin de former le revêtement de surface. Les charges du deuxième ensemble de charges peuvent ou non être réactives. Les charges non réactives du deuxième ensemble de charges peuvent, par exemple, être choisies parmi : SiC, Si3N4 ou BN, et leurs mélanges. Les charges réactives du deuxième ensemble de charges peuvent, par exemple, être choisies parmi : C, B4C, SiB6, et leurs mélanges.
L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu peut réagir chimiquement avec les charges réactives déposées lors de l'étape c) lors de sa mise en contact avec ces dernières. En variante, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peut, une fois solidifié, participer à assurer la liaison des charges déposées lors de l'étape c). Le procédé selon l'invention peut donc mettre en oeuvre deux étapes d'infiltration à l'état fondu (« melt-infiltration »), la première pour former la matrice céramique et la seconde pour former le revêtement de surface. Le fait d'utiliser deux fois le même type de procédé contribue avantageusement à simplifier la préparation de la pièce revêtue. Le dépôt effectué lors de l'étape c) peut avantageusement être d'épaisseur variable et/ou de composition variable lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce, par exemple suivant les différentes zones fonctionnelles de la pièce. Un tel dépôt permet avantageusement d'obtenir un revêtement présentant différentes fonctions selon la position sur la surface externe de la pièce.
La présente invention vise également un procédé pour la fabrication d'une pièce telle que définie plus haut, comportant une étape de : - traitement thermique d'une préforme fibreuse comportant un premier ensemble de charges, par exemple un premier ensemble de charges réactives, la préforme fibreuse ayant une surface externe revêtue par un alliage de silicium et de nickel ou par un alliage de silicium et de cobalt, le traitement thermique permettant de faire fondre l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt, la préforme fibreuse étant, en outre, infiltrée par une composition d'infiltration à l'état fondu lors de sa soumission au traitement thermique, la composition d'infiltration comportant du silicium et ayant une température de fusion supérieure à celle de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt, le traitement thermique comportant la soumission de la préforme fibreuse à : - une première température permettant de faire fondre l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt, puis à - une deuxième température, supérieure à la première température, lors de l'infiltration de la préforme fibreuse avec la composition d'infiltration, puis à - un refroidissement de l'ensemble obtenu après infiltration de la préforme fibreuse. La première température peut, par exemple, être maintenue pendant une durée supérieure ou égale à 15 minutes, par exemple pendant une durée comprise entre 15 minutes et 60 minutes. La deuxième température peut, par exemple, être maintenue pendant une durée supérieure ou égale à 15 minutes, par exemple pendant une durée comprise entre 15 minutes et 60 minutes. Le traitement thermique peut, par exemple, comporter la réalisation d'un premier palier de température à la première température, puis une augmentation de la température de manière monotone, voire strictement monotone, jusqu'à la deuxième température puis la réalisation d'un deuxième palier de température à la deuxième température. La formation du revêtement de surface peut comporter une étape de mise en contact de l'alliage de silicium et de nickel ou de l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu avec un deuxième ensemble de charges et/ou avec une résine précéramique. Les charges du deuxième ensemble de charges peuvent ou non être réactives. Les charges non réactives du deuxième ensemble de charges peuvent, par exemple, être choisies parmi : SiC, Si3N4 ou BN, et leurs mélanges. Les charges réactives du deuxième ensemble de charges peuvent, par exemple, être choisies parmi : C, B4C, SiB6, et leurs mélanges. L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu peut réagir chimiquement avec les charges du deuxième ensemble de charges réactives lors de sa mise en contact avec ces dernières. En variante, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peut, une fois solidifié, participer à assurer la liaison des charges du deuxième ensemble de charges. Dans un exemple de réalisation, avant fusion de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt, le deuxième ensemble de charges peut être appliqué sur la surface externe de la préforme par voie barbotine (« Slurry cast »), ces charges étant par exemple choisies parmi SiC, Si3N4, C, B, et leurs mélanges, ces charges étant destinées à être mises en contact avec l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu. La présence de ces charges sur la surface externe permet avantageusement de combler la porosité de la préforme afin de limiter, voire d'éviter, la pénétration au sein de la préforme de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu. Dans un exemple de réalisation, une couche précurseur de revêtement de surface peut, avant fusion de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt, être déposée sur la surface externe de la préforme fibreuse, la couche précurseur de revêtement comportant, d'une part, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt et, d'autre part, le deuxième ensemble de charges et/ou la résine précéramique. La présente invention vise également un procédé de fabrication d'une pièce telle que définie plus haut, comportant une étape - de formation sur la surface externe d'une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique d'un revêtement de surface sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel ou un alliage de silicium et de cobalt.
La formation du revêtement de surface peut comporter une étape de mise en contact d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu avec des charges, par exemple des charges réactives ou en variante des charges non réactives, et/ou avec une résine précéramique.
Les charges non réactives peuvent, par exemple, être choisies parmi : SiC, Si3N4 ou BN, et leurs mélanges. Les charges réactives peuvent, par exemple, être choisies parmi : C, 134C, SiB6, et leurs mélanges. L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu peut réagir chimiquement avec les charges réactives lors de sa mise en contact avec ces dernières. En variante, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peut, une fois solidifié, participer à assurer la liaison des charges. La pièce peut être recouverte, avant fusion de l'alliage de silicium et de nickel ou de l'alliage de silicium et de cobalt, sur sa surface externe par une couche précurseur de revêtement comportant, d'une part, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt et, d'autre part, les charges, par exemple les charges réactives ou en variante les charges non réactives, et/ou la résine précéramique.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de 'réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une section schématique et partielle d'une pièce selon l'invention, - la figure 2 est un ordinogramme d'un exemple de procédé de préparation d'une pièce selon l'invention, - la figure 3 est un ordinogramme plus détaillé d'un exemple de procédé de préparation d'une pièce selon l'invention, - les figures 4 et 5 sont des ordinogrammes de variantes de procédé de préparation de pièces selon l'invention, - la figure 6 est une vue en perspective d'une pièce selon l'invention constituant une aube de turbomachine, et - la figure 7 est une vue en perspective d'une roue de turbomachine selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation On a représenté, à la figure 1, une section d'une pièce 1 en matériau composite comportant un renfort fibreux (non représenté) densifié par une matrice céramique 2. La pièce 1 présente sur sa surface externe 3 un revêtement de surface sous forme solide 4 comportant un, notamment formé d'un, alliage de silicium et de nickel ou un alliage de silicium et de cobalt.
Le revêtement de surface 4 peut, en outre, comporter des charges et/ou un matériau céramique. Comme illustré, le revêtement de surface 4 ne pénètre pas au sein de la matrice 2. Le revêtement de surface 4 reste, en effet, dans l'exemple illustré entièrement sur la surface externe 3 de la pièce 1. On ne sort pas du cadre de l'invention si le revêtement de surface pénètre au sein de la matrice tant que la majorité de la masse de ce dernier reste sur la surface externe de la pièce (donc à l'extérieur de celle-ci). L'épaisseur e du revêtement de surface 4 peut comme illustré être sensiblement constante lorsque l'on se déplace le long de la surface externe 3 de la pièce. Dans une variante non illustrée, l'épaisseur e du revêtement de surface varie lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce. Le revêtement de surface 4 peut comme illustré reprendre la forme de la pièce 1. Dans l'exemple illustré, la surface S du revêtement de surface située du côté opposé à la pièce 1 présente la même forme que la surface externe 3 de la pièce 1. On va maintenant décrire plus en détail quelques éléments relatifs à la fabrication de matériaux composites comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique utilisables dans le cadre de la présente invention. La préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la pièce selon l'invention peut être obtenue par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne et une pluralité de couches de trame. Le tissage multicouche réalisé peut être notamment un tissage à armure "interlock", c'est-à-dire une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. D'autres types de tissage multicouche pourront bien entendu être utilisés. Lorsque la préforme fibreuse est réalisée par tissage, le tissage peut être réalisé avec des fils de chaîne s'étendant dans la direction longitudinale de la préforme, étant noté qu'un tissage avec des fils de trame dans cette direction est également possible.
Dans un exemple de réalisation, les fils utilisés peuvent être des fils de carbure de silicium (SiC) fournis sous la dénomination "Nicalon", « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise Nippon Carbon ou « Tyranno SA3 » par la société UBE et ayant un titre (nombre de filaments) de 0,5K (500 filaments).
Différents modes de tissage multicouche sont notamment décrits dans le document WO 2006/136755. 3 02 3 2 1 1 12 Le renfort fibreux de la pièce selon l'invention peut encore être formé à partir d'une préforme fibreuse obtenue par assemblage de deux textures fibreuses. Dans ce cas, les deux textures fibreuses peuvent être liées entre elles, par exemple par couture ou aiguilletage. Les deux 5 textures fibreuses peuvent notamment être chacune obtenue à partir d'une couche ou d'un empilement de plusieurs couches de : - tissu unidimensionnel (UD), - tissu bidimensionnel (2D), tresse, 10 - tricot, - feutre, - nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelle (nD) obtenue par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et liaison des nappes UD entre elles par 15 exemple par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage. Dans le cas d'un empilement de plusieurs couches, celles-ci sont liées entre elles par exemple par couture, par implantation de fils ou d'éléments rigides ou par aiguilletage. Comme décrit ci-avant, une préforme fibreuse destinée à 20 former le renfort fibreux d'une pièce selon l'invention peut être obtenue par tissage multicouche, ou par empilement de structures fibreuses. Pour des aubes de turbomachine destinées à une utilisation à température élevée et notamment en environnement corrosif (notamment humidité), on peut avantageusement utiliser pour le tissage des fils formés de fibres 25 en céramique, notamment des fibres de carbure de silicium (SiC). Pour des pièces de plus courtes durées d'utilisation, des fibres de carbone peuvent être également utilisées. La densification de la préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la pièce selon l'invention consiste à combler la porosité 30 de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice. Cette densification peut par exemple être réalisée de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide (CVL) ou le procédé par voie gazeuse (CVI), ou encore suivant un enchaînement de ces deux procédés. 35 Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur du matériau de la 3 02 3 2 1 1 13 matrice. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée. 5 Ensuite, on referme le moule et on injecte le précurseur liquide de matrice (par exemple une résine) dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme. La transformation du précurseur en matrice est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après 10 élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser. Dans le cas de la formation d'une matrice céramique, le traitement thermique comporte une étape de pyrolyse du précurseur pour 15 former la matrice céramique. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de 20 densification souhaité. La densification de la préforme fibreuse peut également être réalisée, de façon connue, par voie gazeuse par infiltration chimique en phase vapeur de la matrice (CVI). La préforme fibreuse correspondant à la structure à réaliser est placée dans un four dans lequel est admise une 25 phase gazeuse réactionnelle. La pression et la température régnant dans le four et la composition de la phase gazeuse sont choisies de manière à permettre la diffusion de la phase gazeuse au sein de la porosité de la préforme pour y former la matrice par dépôt, au coeur du matériau au contact des fibres, d'un matériau solide résultant d'une décomposition 30 d'un constituant de la phase gazeuse ou d'une réaction entre plusieurs constituants. La formation d'une matrice SiC peut être obtenue avec du méthyltrichlorosilane (MTS) donnant du SiC par décomposition du MTS. Une densification combinant voie liquide et voie gazeuse peut 35 être également utilisée pour faciliter la mise en oeuvre, limiter les coûts et les cycles de fabrication tout en obtenant des caractéristiques satisfaisantes pour l'utilisation envisagée. La pièce peut comporter un renfort en fibres de carbone et/ou céramique densifié par une matrice céramique par exemple choisie parmi les matrices SiC/Si, Si3N4/SiC/Si, SiB ou SiMo. Comme il sera détaillé plus loin, il est possible de fabriquer la pièce selon l'invention en mettant en oeuvre d'autres procédés pour densifier le renfort fibreux par une matrice céramique comme notamment des procédés d'infiltration à l'état fondu (« melt-infiltration »).
On va maintenant décrire, en lien avec les figures 2 à 4, des procédés de préparation de pièces selon l'invention lesquels mettent en oeuvre une étape d'infiltration d'une préforme fibreuse afin de former la matrice céramique. On a représenté à la figure 2 un ordinogramme représentant les étapes d'un premier exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention. Une préforme fibreuse comportant des charges réactives, par exemple choisies parmi SiC, Si3N4, C, B et leurs mélanges, est tout d'abord infiltrée par une composition d'infiltration à l'état fondu comportant du silicium (étape 10). Après réaction entre la composition d'infiltration et les charges réactives, une pièce en matériau composite comportant une matrice céramique est obtenue. Durant la réaction entre la composition d'infiltration et les charges réactives, sensiblement l'intégralité des charges réactives peut être consommée. En variante, seule une partie des charges réactives est consommée durant cette réaction. La composition d'infiltration peut être constituée de silicium fondu ou en variante être sous la forme d'un alliage fondu de silicium et d'un ou plusieurs autres constituants. Le(s) constituant(s) présent(s) au sein de l'alliage de silicium peuvent être choisi(s) parmi B, Al, Mo, Ti, et leurs mélanges. Les fibres du renfort fibreux peuvent, avant infiltration de la composition d'infiltration, avoir été revêtues d'une couche d'interphase, par exemple en BN ou BN dopé par du silicium, ainsi que d'une couche de carbure, par exemple en SiC et/ou Si3N4, par exemple réalisée par voie gazeuse. 302 3 2 1 1 15 La matrice peut être obtenue par réaction entre des charges solides, par exemple de type C, SIC ou Si3N4 introduites par voie barbotine ou pré-imprégnées, et un alliage fondu à base de silicium. La réaction peut se produire à une température supérieure ou égale à 1420°C. 5 Compte tenu des températures élevées mises en oeuvre, il peut être avantageux que le renfort fibreux soit constitué de fibres thermostables, par exemple de type Hi-Nicalon voire Hi-Nicalon S. Une fois la matrice céramique obtenue, il est ensuite possible de procéder à une étape optionnelle de dépôt de charges et/ou d'une 10 résine précéramique sur la surface externe de la pièce (étape 20). L'étape 30 menée par la suite consiste à appliquer sur la surface externe de la pièce en CMC un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu, cet alliage ayant une température de fusion inférieure à la température de fusion de la composition 15 d'infiltration ayant permis de former la matrice céramique de densification du renfort fibreux. Lorsque des charges et/ou une résine précéramique ont été déposées sur la surface externe de la pièce (i.e. lorsqu'une étape 20 a été réalisée), l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à 20 l'état fondu peut s'infiltrer au sein de ces charges et/ou de cette résine durant l'étape 30. Ainsi, dans un tel cas, deux étapes successives d'infiltration à l'état fondu (« melt-infiltration ») sont réalisées, la première pour réaliser la matrice céramique (étape 10) puis la seconde pour réaliser le 25 revêtement de surface (étape 30). On a représenté à la figure 3 un ordinogramme plus détaillé d'un procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention selon la variante représentée à la figure 2. Ce procédé peut comporter les étapes suivantes : 30 - préparation d'une préforme fibreuse, par exemple à base de fibres Hi-Nicalon S (étape 5), par exemple par tissage et préformage par voie liquide et/ou gazeuse, les fibres de la préforme fibreuse étant revêtues d'une couche d'interphase (étape 6), par exemple en PyC ou BN, et d'un revêtement permettant (i) d'éviter une réaction entre la 35 composition d'infiltration, d'une part, et les fibres et l'interphase d'autre part et (ii) de consolider la préforme fibreuse (étape 7), le revêtement étant par exemple en carbure, par exemple en SiC, B4C et/ou SiBC, et pouvant comporter une matrice auto-cicatrisante, le revêtement pouvant être déposé par CVI, - usinage de la préforme fibreuse (étape 8, cette étape est optionnelle dans l'exemple de réalisation considéré), - introduction, au sein de la préforme fibreuse, d'un premier ensemble de charges, par exemple de charges réactives, par voie barbotine (« Slurry cast ») (étape 9), les charges étant par exemple choisies parmi SiC, Si3N4, C, B, et leurs mélanges, et l'excédent de charges en surface étant éventuellement éliminé totalement ou partiellement à l'issue du « slurry cast », - infiltration de la préforme fibreuse avec la composition d'infiltration à l'état fondu (étape 10 ; procédé d'infiltration à l'état fondu) pour former la matrice céramique, cette infiltration étant éventuellement précédée d'une étape de désoxydation de la préforme fibreuse et de la composition d'infiltration, l'infiltration permettant par exemple de former majoritairement du carbure de silicium avec un minimum de silicium résiduel, - nettoyage du composite par exemple par opération simple de sablage ou écroutage (cette étape est optionnelle dans l'exemple de réalisation considéré), - dépôt sur la surface externe de la pièce en matériau composite d'un deuxième ensemble de charges (étape 20), par exemple choisies parmi : SiC, Si3N4, C, Mo2C, B4C et leurs mélanges, et/ou d'une résine précéramique, par exemple de PCS, PSZ ou d'une résine phénolique, le dépôt étant par exemple effectué par trempage (« dipcoating »), surmoulage ou RTM, le dépôt effectué pouvant être d'épaisseur variable et/ou de composition variable lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce, par exemple suivant les différentes zones fonctionnelles de la pièce, dans l'exemple illustré à la figure 3, un dépôt de charges de SiC a été réalisé, - infiltration de la surface externe de la pièce par un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu, l'alliage ayant un point de fusion inférieur à celui de la composition d'infiltration (étape 30), cette infiltration étant éventuellement précédée d'une étape 302 3 2 1 1 17 de désoxydation de la pièce et de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt, - usinage de finition (étape 31 ; cette étape est optionnelle dans l'exemple de réalisation considéré). 5 On va à présent décrire, en référence à la figure 4, un ordinogramme représentant les étapes d'une variante d'un procédé de préparation d'une pièce selon l'invention. On réalise tout d'abord une fusion d'un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt présent sur la surface externe d'une 10 préforme fibreuse par soumission de celle-ci à une première température (étape 40). Cet alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu peut alors venir en contact avec des charges et/ou une résine précéramique éventuellement présentes sur la surface externe de la préforme fibreuse (étape optionnelle 50). On infiltre ensuite la préforme 15 fibreuse avec une composition d'infiltration à l'état fondu comportant du silicium en soumettant la préforme à une deuxième température supérieure à la première température (étape 60). On réalise ensuite un refroidissement de l'ensemble obtenu à l'issue de l'étape 60 (étape 61). Ainsi, dans cet exemple de réalisation, la surface externe de la 20 préforme fibreuse est, tout d'abord, mise en contact avec l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu puis la préforme fibreuse est infiltrée par la composition d'infiltration. Comme dans l'exemple de réalisation de procédé décrit précédemment, la préforme fibreuse comporte des charges réactives, par 25 exemple choisies parmi SiC, Si3N4, C, B et leurs mélanges, au moment de l'infiltration par la composition d'infiltration. Après réaction entre la composition d'infiltration et les charges réactives, une pièce en matériau composite comportant une matrice céramique de densification du renfort fibreux est obtenue. Durant la réaction entre la composition d'infiltration 30 et les charges réactives, l'intégralité des charges réactives peut être consommée. En variante, seule une partie des charges réactives est consommée durant cette réaction. La composition d'infiltration utilisée dans cet exemple de réalisation pour densifier le renfort fibreux peut être telle que décrite plus 35 haut.
On donne ci-dessous un exemple plus détaillé d'un procédé de préparation d'une pièce selon l'invention selon la variante représentée à la figure 4. Le procédé peut comporter les étapes suivantes : - préparation d'une préforme fibreuse, par exemple à base de fibres Hi-Nicalon S, par exemple par tissage et préformage par voie liquide et/ou gazeuse, les fibres de la préforme fibreuse étant revêtues d'une couche d'interphase, par exemple en PyC ou BN, et d'un revêtement permettant (i) d'éviter une réaction entre la composition d'infiltration, d'une part, et les fibres et l'interphase d'autre part et (ii) de consolider la préforme fibreuse, le revêtement étant par exemple en carbure, par exemple en SiC, B4C et/ou SiBC, et pouvant comporter une matrice auto-cicatrisante, le revêtement pouvant être déposé par CVI, - introduction, au sein de la préforme fibreuse, de premières charges, par exemple de charges réactives, par voie barbotine (« Slurry cast »), les charges étant par exemple choisies parmi SiC, Si3N4, C, B, et leurs mélanges, et l'excédent de charges en surface étant éventuellement totalement ou partiellement éliminé à l'issue du « slurry cast », - dépôt, sur la surface externe de la préforme fibreuse, de deuxièmes charges, par exemple choisies parmi SiC, C, Si3N4, Mo2C, B4C et leurs mélanges, et/ou d'une résine précéramique, par exemple de PCS, PSZ ou d'une résine phénolique, et de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt ayant une température de fusion inférieure à celle de la composition d'infiltration, le dépôt étant par exemple effectué par trempage (« dip-coating »), surmoulage ou RTM, le dépôt effectué pouvant être d'épaisseur variable et/ou de composition variable lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la préforme fibreuse, par exemple suivant les différentes zones fonctionnelles de la pièce à obtenir, - traitement thermique d'infiltration à l'état fondu (« meltinfiltration ») comportant la soumission de la préforme fibreuse à : - une première température permettant de faire fondre l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt présent sur la surface externe de la préforme fibreuse, puis à - une deuxième température, supérieure à la première température, lors de l'infiltration de la préforme fibreuse avec la composition d'infiltration à l'état fondu, cette infiltration étant éventuellement précédée d'une étape de désoxydation de la préforme fibreuse et de la composition d'infiltration, puis à - un refroidissement de l'ensemble obtenu après infiltration de la préforme fibreuse.
On va à présent décrire, en référence à la figure 5, un ordinogramme représentant les étapes d'une variante d'un procédé de préparation d'une pièce selon l'invention. A la différence des procédés précédemment exposés dans la description détaillée, le procédé de la figure 5 s'applique quel que soit le procédé de préparation de la pièce en matériau composite (i.e. pas seulement pour des pièces en matériau composite dont la matrice céramique a été obtenue par infiltration à l'état fondu). La pièce en matériau composite peut, tout d'abord, être recouverte sur sa surface externe par une couche précurseur de revêtement comportant à la fois l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt et des charges et/ou une résine précéramique (étape optionnelle 70). Ensuite, durant l'étape 80, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu est présent sur la surface externe de la pièce en matériau composite afin de former le revêtement de surface. Si l'étape optionnelle 70 a été réalisée, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu est mis en contact avec les charges et/ou la résine (étape optionnelle 90). On donne ci-dessous un exemple plus détaillé d'un procédé de préparation d'une pièce selon l'invention selon la variante représentée à la figure 5. Le procédé peut comporter les étapes suivantes : - formation, sur la surface externe d'une pièce en matériau composite, d'une couche précurseur de revêtement comportant des charges réactives, par exemple choisies parmi SiC, C, Si3N4, Mo2C, B4C et leurs mélanges, et/ou une résine précéramique, par exemple PCS, PSZ ou une résine phénolique, et/ou un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt, la couche précurseur de revêtement étant par exemple formée après trempage (« dip-coating »), surmoulage ou RTM, la couche précurseur de revêtement pouvant être d'épaisseur variable et/ou de composition variable lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce, par exemple suivant les différentes zones 302 3 2 1 1 20 fonctionnelles de la pièce, la couche précurseur de revêtement pouvant, en outre, éventuellement lisser tout ou partie de la zone de la surface externe de la pièce sur laquelle elle est formée, et - infiltration de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et 5 de cobalt à l'état fondu sur la surface externe de la pièce en matériau composite afin de former le revêtement de surface, cette infiltration étant éventuellement précédée d'une étape de désoxydation de la pièce et de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt. L'invention est applicable à différents types d'aubes de 10 turbomachine, notamment des aubes de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple une aube de roue mobile de turbine basse pression, telle que celle illustrée à la figure 6. L'aube 100 de la figure 6 comprend de façon en soi bien connue, une pale 101, un pied 102 formé par une partie de plus forte 15 épaisseur, par exemple à section en forme de bulbe, prolongé par une échasse 103, une plateforme intérieure 110 située entre l'échasse 103 et la pale 101 et une plateforme extérieure ou talon 120 au voisinage de l'extrémité libre de la pale. Le pied d'aube 102 est, dans l'exemple illustré, recouvert par un revêtement de surface comportant un alliage de silicium 20 et de nickel ou un alliage de silicium et de cobalt (non représenté). Bien entendu, on ne sort pas du cadre de la présente invention si le pied d'aube est revêtu par un premier revêtement de surface comportant un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt et la pale est revêtue par un deuxième revêtement de surface, identique ou différent du 25 premier revêtement de surface, permettant par exemple de lisser la surface de ladite pale. On a représenté à la figure 7 un exemple de roue 200 de turbomachine selon l'invention. Les pièces selon l'invention peuvent être fixées sur différents 30 types de rotors de turbines, notamment des rotors de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple une roue mobile de turbine basse pression (BP), telle que celle illustrée par la figure 7. La figure 7 montre une roue 200 de turbomachine comprenant 35 un moyeu 130 sur lequel sont montées une pluralité d'aubes 100 selon l'invention, chaque aube 100 comportant un pied 102 formé par une partie 302 3 2 1 1 21 de plus forte épaisseur, par exemple à section en forme de bulbe, qui est engagée dans un logement correspondant 131 ménagé à la périphérie du moyeu 130 et une pale 101. La paroi des logements 131 comporte du nickel et/ou du cobalt.
5 La roue 200 comporte, en outre, plusieurs éléments de talon d'aube 120 montés sur chacune des aubes 100. On peut fixer des pièces selon l'invention sur des turbines de turboréacteurs basse ou haute pression. Les pièces selon l'invention peuvent équiper des turboréacteurs 10 par exemple de type CFM 56, LEAP X ou M88. Les pièces selon l'invention peuvent aussi équiper des turbines à gaz. L'expression « comportant/contenant un(e) » doit se comprendre comme « comportant/contenant au moins un(e) ».
15 L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à » doit se comprendre comme incluant les bornes.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Pièce (1 ; 100) en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique (2), la pièce (1 ; 100) présentant une surface externe (3) et étant caractérisée en ce qu'elle est revêtue sur au moins une partie de sa surface externe (3) par un revêtement de surface (4) sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel présentant une teneur massique en silicium comprise entre 29% et 45 % ou un alliage de silicium et de cobalt.
- 2. Pièce (1 ; 100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement de surface (4) comporte une phase de NiSi2 et/ou une phase de NiSi.
- 3. Pièce (1 ; 100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement de surface (4) comporte une phase de CoSi2.
- 4. Pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt est présent en une teneur massique supérieure ou égale à 5% par rapport à la masse du revêtement de surface (4).
- 5. Pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le revêtement de surface (4) comporte, en outre, des charges et/ou un matériau céramique.
- 6. Pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'alliage de silicium et de cobalt présente une teneur massique en silicium comprise entre 34% et 90%.
- 7. Pièce (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle constitue une aube de moteur aéronautique comportant au moins un pied d'aube (102) et une pale (101) et en ce que le revêtement de surface (4) recouvre au moins le pied d'aube (102).
- 8. Roue de turbomachine (200) comportant : 35un disque de roue (130) comportant une partie de fixation d'aube (131), ladite partie de fixation (131) comportant un alliage comportant du nickel et/ou du cobalt, et une pièce (100) selon la revendication 7 fixée au disque de roue (130), le pied d'aube (102) de la pièce étant monté sur la partie de fixation d'aube (131).
- 9. Procédé pour la fabrication d'une pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant les étapes suivantes : a) infiltration d'une préforme fibreuse comportant un premier ensemble de charges avec une composition d'infiltration à l'état fondu, la composition d'infiltration comportant du silicium et ayant une première température de fusion, afin d'obtenir, après mise en contact de la composition d'infiltration avec tout ou partie des charges du premier ensemble de charges, une pièce en un matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique (2), et b) application sur au moins une partie de la surface externe (3) de la pièce en matériau composite d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt ayant une deuxième température de fusion inférieure à la première température de fusion, afin d'obtenir un revêtement de surface (4) sous forme solide sur au moins une partie de la surface externe (3) de la pièce en matériau composite.
- 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, après l'étape a) et avant l'étape b), une étape c) de dépôt sur la surface externe (3) de la pièce en matériau composite d'un deuxième ensemble de charges et/ou d'une résine précéramique et en ce que l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu s'infiltre lors de l'étape b) au sein du deuxième ensemble de charges et/ou de la résine précéramique afin de former le revêtement de surface (4).
- 11. Procédé de fabrication d'une pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant une étape : 302 3 2 1 1 24 de formation sur la surface externe (3) d'une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique (2) d'un revêtement de surface (4) sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel ou un alliage de silicium et 5 de cobalt.
- 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la formation du revêtement de surface (4) comporte une étape de mise en contact d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de 10 cobalt à l'état fondu avec des charges et/ou avec une résine précéramique.
- 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pièce est recouverte, avant fusion de l'alliage de silicium et de nickel ou de 15 l'alliage de silicium et de cobalt, sur sa surface externe (3) par une couche précurseur de revêtement comportant, d'une part, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt et, d'autre part, les charges et/ou la résine précéramique.
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